Vers 1156, Bertold, un croisé calabrais, se retire sur le mont Carmel en Palestine, habité par des anachorètes soumis à la règle de saint Basile. Progressivement, d'autres ermites se regroupent dans les grottes voisines. Une première règle est instituée en 1224 ; la définitive est approuvée en 1245 par Innocent IV : l'ordre des Carmes est né. C'est Louis IX qui introduit l'ordre des Carmes à Paris. Au XVe siècle, l'ordre s'ouvre aux femmes. Jean Soreth fonde en 1451 l'ordre des Carmélites, approuvé par le pape Nicolas V. Une réforme complète de l'ordre est entreprise et menée à bien par Jean de la Croix, en 1564, en accord et sous l'influence de sainte Thérèse d'Avila, provoquant une scission. La nouvelle observance est extrêmement austère. Madame Acarie ouvre en France le premier carmel, dans le faubourg Saint-Jacques à Paris, où elle prend le voile sous le nom de "Marie de l'Incarnation".
Le carmel de Saint-Denis est la 37e fondation en France de l'ordre de Notre-Dame du Mont-Carmel. Sous l’ordre du cardinal de Bérulle, par Anne du saint Sacrement, le Carmel de Saint-Denis est placé sous la protection de la cour royale. Les huit premières carmélites s'installent à Saint-Denis en 1625.
Trois ans plus tard, Marie de Médicis pose la première pierre de la chapelle du carmel. Le couvent des Carmélites de Saint-Denis acquiert une réputation de sévérité où la vie spirituelle est plus intense qu'ailleurs et la discipline la plus pénible. Dans le carmel, devenu aujourd'hui le Musée d'Art et d'Histoire à Saint-Denis, la cellule d'une carmélite est reconstituée. Selon la règle, la cellule doit aider la carmélite à trouver et à créer son propre "désert", afin d'approfondir sa vie mystique jusqu'à la vision de Dieu.
Dès sa création en 1625, En 1628 Marie de Médicis pose la première pierre de l’église primitive. Anne d’Autriche en finance et achève sa construction en 1651.
Dans cette cellule réaménagée, il est aisé d'imaginer l'austérité de la vie de ces femmes : une simple paillasse sur trois planches, une étagère pour disposer des livres, une lampe, une cruche pour les ablutions, un sablier pour mesurer le temps des prières, une chaise et la grande croix espagnole. Le musée possède plusieurs tableaux illustrant la vie quotidienne au carmel de Saint-Denis. Une huile sur toile de Guillot montre les carmélites réunies au chauffoir, la seule pièce avec l'infirmerie à être chauffée. Dans le vestibule d'entrée du musée, une immense Vierge à l'Enfant, en pierre calcaire, accueille le visiteur, marquant l'importance du culte marial pour les carmélites. Une inscription, Regina decor carmeli, "Reine beauté du carmel", souligne encore la dévotion à la Vierge. Cette statue, datant du XVIIe siècle, est la pièce la plus ancienne connue du monastère.
La troisième fille de Louis XV, Madame Louise de France, est scandalisée par la vie à la cour. Munie de l'autorisation de son père, elle se présente à la porte du carmel en 1770. Elle prend officiellement le voile l'année suivante et devient sœur Thérèse de Saint-Augustin. Louis XV rend souvent visite à sa fille. En tête à tête avec son père dans son humble cellule, la carmélite tente de ramener "le roi tout à Dieu". Elle l'entretient essentiellement de religion et de son salut. Madame Louise meurt au carmel en 1787.
La venue de Louise de France, fille de Louis XV, en 1770, est un don de la providence. Le Carmel est dans un état de délabrement avancé. Elle entreprend dans un premier temps, grâce à sa dot royale, la restauration des bâtiments du monastère et la reconstruction du réfectoire. Mais elle souhaite édifier une chapelle digne d’une fille de France à Dieu.
Le Musée d'Art et d'Histoire lui consacre une salle entière dans laquelle sont présentés des portraits et des objets lui ayant appartenu.
Né à Nancy, Richard Mique (1728-1794) succède à Jacques Gabriel, l'architecte du roi chargé de la façade occidentale de l'ancien cloître de Saint-Denis, actuelle Maison d'éducation de la Légion d'honneur, et devient premier architecte du roi Louis XVI. À ce titre, il crée notamment le Hameau de la reine Marie-Antoinette à Versailles (où la reine jouait à la fermière). Il est chargé de construire la nouvelle chapelle du Carmel de Saint-Denis au moment de la destruction des bâtiments médiévaux de l'ancien cloître.
L'architecture néo-classique étant au goût du jour, Mique s'inspire de l'église abbatiale Sainte-Geneviève construite par Soufflot (devenue le Panthéon) à Paris. Le portique d'entrée, conçu d'après le modèle des temples gréco-romains, présente un fronton soutenu par quatre colonnes ioniques. Inauguré en 1785, l'édifice a pu être réalisé grâce aux dons de Louis XVI. Au XIXe siècle, la chapelle est transformée en Tribunal. On peut encore lire sur son fronton l'inscription "Justice de paix". Aujourd'hui, la chapelle signale aux visiteurs le Musée d'Art et d'Histoire.
La nouvelle église bâtie par l’architecte du roi, Richard Mique, sera consacrée en 1784.
Les carmélites occupent les lieux jusqu’en 1895 date à laquelle la chapelle devient Justice de paix. A la fin du XIXe siècle, les bâtiments du couvent ne cessent de se dégrader, la quatrième aile du cloître disparaît. Les sœurs de la Sainte Famille du Sacré-Cœur s’y installent jusqu’en 1959. Elles assurent en partie la survie de l’établissement. Le 6 avril 1929 l’ensemble des bâtiments conventuels est inscrit à l’Inventaire supplémentaire des Monuments Historiques.
En 1957, le conseil municipal s’oppose à un plan de spéculation qui vise à la construction de 160 logements. Les négociations pour le rachat vont durer jusqu’en 1972. Le Carmel est acquis sans l’aide de l’Etat et des travaux sont entrepris pour l’installation du musée. Le projet d’aménagement est élaboré en accord avec la Direction des Musées de France. Les travaux commencent en 1976.
Une première tranche, (restauration de l’aile Ouest du cloître, sauvegarde de l’ensemble des bâtiments et aménagements des espaces verts) permet de transférer le musée. Le nouveau musée ouvre le 20 mai 1981.
La Chapelle des carmélites a accueilli des expositions comme Les robes géantes de Lamyne M.
