Ancienne église conventuelle des moines Mathurins installés par saint Louis, cette chapelle a été rattachée au château sous François Ier. Reconstruite à partir de ce règne et sous celui d’Henri II, elle reçoit la voûte actuelle sous Henri IV. Son exceptionnel décor caractéristique de la Seconde École de Fontainebleau préfigure le style baroque.
On doit au peintre Martin Fréminet les scènes du mystère de la Rédemption de l’homme.
Le maître-autel, installé en 1633, est l’œuvre du sculpteur italien Francesco Bordoni, lequel est aussi l’auteur du dallage en marbre multicolore du sol.
Le tableau d’autel peint par Jean Dubois le Vieux en 1642 représente la Sainte Trinité au moment de la déposition de croix.