La construction de l'église est entreprise dès l’affiliation de l'abbaye à Cîteaux en 1145 ou, au plus tard, après la donation définitive par la vicomtesse Ermengarde de Narbonne en 1175. La tradition veut que les travaux commencent par la nef, dans la seconde moitié du 12e siècle, ce que semblent confirmer les fouilles réalisées en 1988 par G. Collin (Rebière, 2012, p. 5).

La première église abbatiale, construite sur un plan basilical, disposait d’une nef longue de 5 travées et flanquée de bas cotés plus bas dont les toitures étaient très pentues comme le révèlent les rampants conservés sur l’élévation occidentale. Le portail ouest était protégé par un porche aujourd’hui disparu mais dont quelques vestiges sont encore visibles (marques d’arrachement, départ d’arcs). Un transept long de 3 travées communiquait avec une abside à chevet plat et deux absidioles. Le transept était sans doute moins haut que l’actuel, ce que confirme un larmier encore visible sur le mur gouttereau de la nef.

Au cours du 13e siècle, le chevet plat est remplacé par le chevet polygonal et le transept est agrandi. On remarque encore dans chacune des extrémités du transept des fissures qui correspondent aux reprises de maçonnerie. Par ailleurs, cette transformation s’accompagne d’une surélévation de l’ensemble de l’édifice.  C’est à ce moment que sont mises en place les voûtes, l’oculus de la croisée du transept et les couvertures en pyramide de l’édifice. Une seconde corniche saillante, parallèle à la primitive conservée est visible sur le bas-côté nord confirme ce chantier. Jean Louis Rebière estime qu’il s’est achevé avant 1270 (Rebière, 2012, p. 19). On peut estimer que c’est à la même époque qu’est construit l’escalier qui conduit au dortoir des moines de même qu’est bâtie la chapelle de plan rectangulaire, dite "chapelle des Morts" à l'extrémité droite du transept. Un acte daté du jour des Rameaux 1257 (Doat 59, fol. 270-271) atteste la commande et le financement d’une chapelle dédiée à une chapelle dédiée à saint Bernard dans l’église de l’abbaye (Langlois, 2025, p. 5).

La salle du Trésor, construite au-dessus du bas-côté nord avec sa voûte en berceau et le clocher appartiennent probablement à cette campagne de construction. On remarque en effet à l’intérieur du clocher qu’il prend appui sur les anciennes dalles de la couverture en pavillon du collatéral nord.

Les chapelles latérales, ajoutées sur le flanc droit de la nef, sont le résultat d'un dernier agrandissement de l'église. Le profil des nervures et des voussures de ces chapelles indique un chantier de la première moitié du 14e siècle qui pourrait avoir été initié sous l'abbatiat de Jacques Fournier (1311-1317). Plusieurs donations qui datent de cette époque, permettent la célébration de messes ou la "fondation de lampes" dans diverses chapelles. Ainsi en 1308, Raymond de Pollan, archidiacre de Fenouillet établit une messe obituaire à l'autel de saint Antoine pour Bérenger de Boutenac, seigneur de Bizanet, qui est enseveli dans le cloître. (Cauvet, 1875, p. 151)

Il est probable que l'épidémie de peste de 1348 qui frappa également les moines de Fontfroide, si elle ne stoppa pas le chantier, l'a ralenti et prolongé jusqu'à la fin du 14e siècle. La découverte de vestiges de décors peints datables du 14e siècle confirment en tous les cas que les travaux d’agrandissement de l’abbatiale étaient achevés.

Il n’est pas fait mention de travaux importants dans l’église abbatiale par la suite. Les archives nous informent davantage sur les aménagements qui y sont faits dont la commande d’un retable pour le maître-autel en 1679 et celle d’un nouveau retable en 1724. Cela explique qu'en 1727, à l'arrivée du nouveau prieur Dom Verdier qui succédait à son prédécesseur décédé, le procès-verbal dressé par l'abbé de Belleperche à la demande de la maison mère de Clairvaux signale les travaux en cours dans l'église abbatiale (AD Aude H 610 ; De soos, p. 41 et suiv.). Après avoir décrit "le grand autel à la romaine dont le retable et lambris sont de marbre", l'abbé précise les matériaux de l'architrave, de la corniche, du tabernacle et de l'emmarchement et signale la présence de trois armoires fermées à clef qui abritent des reliquaires recouverts de lames d'argent et de vermeil. Il mentionne en outre les transformations en cours dans les deux chapelles placées aux extrémités du transept : "l'une dédiée à Saint Jean, l'autre à Sainte Anne dont on a commencé un autel et lambris de marbre". On apprend aussi qu'il faut d'urgence remplacer des éléments vermoulus dans le choeur, qu'il faut relever le pavement du sanctuaire et d'une partie de la nef et combler des trous qui "sont dans le reste des murailles de l'église".

On répare le maître autel en 1774 pour 5160 livres (AC Aude H 458), on installe deux bénitiers en marbre gris près de l'entrée de l'église et on commande au maître marbrier Grimes 3 statues représentant la Vierge à l'Enfant, saint Bernard et saint Benoit destinées à orner le sanctuaire. En 1779, le "racommodage de l'orgue" est effectué.

Le couvent est évacué en 1790 mais l'abbatiale est laissée intacte jusqu'en 1805, lorsque le Concordat permet de nouveau l'exercice du culte. A cette époque, on vient chercher à Fontfroide le maître autel pour la cathédrale de Carcassonne, des statues et des pavés pour les églises de Narbonne et d'Oraison. Quelques années plus tard, autour de 1840, le baron de Saint-Aubin, qui avait acheté l’abbaye fait réparer la couverture de l’abbatiale qui avait été endommagée par un violent orage. Viollet-le-Duc signale qu'il a également fait poser un châssis de fer dans une partie de l'église et de la salle capitulaire

Lorsque les Bernardins de l’Immaculée Conception prirent possession de l’abbaye en 1858, ils trouvèrent « une belle église mais dégradée (…) sans fenêtres, sans pavé et ouverte à tous les vents ». Ils réalisèrent quelques travaux : les petits autels collatéraux furent relevés, un choeur provisoire fut construit en brique pour permettre de célébrer les offices et de préserver du froid. Les moines entreprirent également de faire disparaître le badigeon dont l'édifice avait été recouvert (Occulus, n° 2, p. 15) mais se préoccupent surtout de faire replacer des vitraux sur les ouvertures et l'on remonta dans le clocher deux cloches offertes en 1861 et 1862 par Madame veuve Miramont de Bizanet.

Après qu'il a acquis l'abbaye, Gustave Fayet met en oeuvre la restauration de l'abbatiale. Les premiers travaux démarrent en avril 1909 : après que les trous intérieurs de l'église ont été rebouchés, le dallage de l'église est réparé, les chapelles sont déblayées et l'édifice est nettoyé. Les travaux sont payés 1600 francs au maçon Pierre Vassal le 23 avril (Carnets Fayet). Ils ne satisfont visiblement pas le commanditaire qui note dans son agenda le 5 juillet suivant que le dallage de l'église est à vérifier.

Les travaux les plus importants sont entrepris en 1910 pour par Joseph Philippe Winckler, architecte de Gustave Fayet et sous le contrôle d'Henri Nodet, architecte des monuments historiques.  Les travaux de Magali Rougeot (op. cit., p. 242) démontrent que le principe des restaurations est arrêté dès le 11 juin, alors que Fayet et Nodet ne sont pas d’accord sur les matériaux à utiliser. Le premier envisage l’utilisation du ciment moins coûteuse et dont l’aspect est quasi identique à celui de la pierre, le second répond, dans une lettre à l'architecte Winckler, que le ciment n’existait pas au Moyen-âge.

Les archives conservées à Fontfroide répartissent les dépenses de restauration de l'église en 3 chapitres : couvertures (15.382,79 francs), piliers, roses, parements façade sud (13.186,53 francs) et fenêtres face sud (11.455,98 francs). On privilégie la restauration des couvertures mais on répare aussi les piliers de l'église en y réalisant les corbeaux qui supportent les nervures. Cette restitution est à l’initiative de l’architecte Winckler. Dans un courrier qu'il adresse à Gustave Fayet le 10 avril 1910, précisant qu'il n'a pas trouvé de trace archéologique de colonnes engagées descendant jusqu'au sol. Il propose le dessin des culots qu'il envisage et qu'il souhaite soumettre à l'architecte Nodet et qui fut validé puisqu'ils sont aujourd'hui en place. On démolit en même temps les murs-bahut qui fermaient les deux premières travées de la nef et devant lesquels étaient disposées les stalles visibles sur un cliché de Philippe Des Forts, conservé à la Médiathèque de l'Architecture et du Patrimoine (APDSF0479). Engagée en 1911 ou 1912, la restauration des piliers de l'église se prolonge jusqu'en mars 1913.

A la demande de Madeleine Fayet, on décide de rouvrir la lanterne qui couvre la croisée du transept, obturée par les moines au cours du 19e siècle. Henri Nodet intervient alors sur l'édicule dont il dessine les plans et les coupes le 4 mars 1912 (Archives Fayet, Fontfroide). Il semble que le pavement du choeur ne soit pas terminé en mai 1913 puisque G. Fayet note qu'il attend de son maçon qu'il lui "dise exactement la mosaïque qui lui manque". L'étanchéité des couvertures est étudiée à la même époque et la pose de cartons bitumés envisagée. Vassal oeuvre encore aux toitures en mars 1914.

Au cours de l'été 1910, conformément au plan de restauration envisagé, le projet de fenêtrage des chapelles sud de l'abbatiale est élaboré. Pourtant, la réalisation de vitraux avec "les couleurs d'antan", envisagée par Nodet est plus complexe que prévu. L'installation des vitraux réalisés par Richard Burgsthal démarre en 1914. Elle s'achève en 1925 avec la mise en place de la rose qui fait disparaître le remplace mis en place au 19e siècle sur le modèle de celui placé au-dessus de l'arc triomphal : Fayet avait demandé dès le 16 septembre 1913 au ferronnier Trouilhet de préparer les grilles de la rose (Carnets Fayet).

La réalisation des verrières implique toutefois que Fayet à demande l’aide des Monuments historiques (Hérold, 2000, op. cit.). Une photo et un dessin de l'architecte Henri Nodet montrent la disposition alors en place, celle d'une baie à 5 lancettes, 1 tympan à 5 soufflets et 2 trilobes dans les écoinçons, qui pourrait dater du 15e siècle, bien que son exécution soit attribuée au 19e siècle. L’État prenant en charge le tiers du coût des travaux et l'inspection des Monuments historiques ayant donné son accord, Madeleine Fayet accepte le devis, si bien que les travaux sont autorisés à la fin de l'année, conduisant à la disposition actuelle (MAPA, Dossier Correspondances et travaux, 81/11/206). le décor vitré de Fontroide est en place alors que meurt Gustave Fayet le 24 septembre 1925.

Les travaux d’Adrien Privat (op. cit. 2024, p. 62 et suiv.) font état des difficultés à entretenir les toitures de l’église abbatiale dès 1925. Madeleine Fayet signale des gouttières dans l’église en octobre 1929. La correspondance, conservée à Fontfroide atteste des tentatives faites pour éviter les infiltrations dans l’abbatiale pendant près d’une dizaine d’années et des difficultés de la propriétaire à faire prendre en charge une partie des travaux sur un bâtiment classé « Monument historique ».

Ce n'est qu'au milieu des années 1990 que la restauration complète des couvertures de l’église abbatiale est envisagée (Privat, 2024, p. 80) avec un budget estimé à 10 millions de francs. Plusieurs phases de travaux furent mises en œuvre, sur une durée d’environ 30 ans puisqu’il faudra attendre 2013 pour les toitures soit entièrement restaurées permettant au passage de faire quelques découvertes sur la structure médiévale des toitures de l’église abbatiale. La restauration des toitures s’achève par celles de la chapelle « des Morts » entre novembre 2021 et décembre 2022, en partie financée par la Fondation du patrimoine.