Elle a été construite sur les plans de l'abbé Tournesac, et consacrée en Juin 1857.
La chapelle est située dans le quartier de Sainte Croix qui fait partie des plus anciens quartiers de la ville du Mans. L'édifice actuel remplace une première chapelle; cette dernière était sans doute la chapelle d'un hospice fondé par Saint Bertrand au VIe siècle.
C'est probablement au Xe siècle qu'elle fut érigée en paroisse, après la ruine de l'hospice; cette chapelle dépendait alors de l'abbaye de la Couture. La chapelle initiale est détruite en 1794. Elle renaît de ses cendres grâce à Basile Moreau qui se voit confié en 1835, la congrégation des Frères de Saint-Joseph. L’abbé Moreau est chargé de construire sur un terrain donné par la paroisse, plusieurs bâtiments dont la vocation est d’accueillir cette communauté naissante, des Pères de Sainte-Croix.
En 1908, l'église est désaffectée et l'ensemble des bâtiments de l'abbaye est affecté à l'armée.
En 1931, elle est rendue au culte, après avoir été acquise par la Congrégation qui a eu un essor important au Canada.
Basile Moreau est mort en 1873 et a été béatifié par l'Eglise en 2007. A l'occasion du 150ème anniversaire de son décès, la messe du dimanche 7 avril 2024 a été retransmise en direct dans "Le Jour du Seigneur" sur France 2.
