L'église Notre-Dame de Chatou est située sur les bords de la Seine, en face de l'Île aux Impressionnistes connue pour être un lieu ayant inspiré de nombreux peintres et artistes  :  Le canotage attire de nombreux parisiens, notamment des artistes comme Maupassant ou Caillebotte. Les peintres représentent souvent ces paysages des bords de Seine. Auguste Renoir y réalisera notamment « Les Canotiers à Chatou », ou « Le Déjeuner des Rameurs ». La Maison Fournaise se trouve à quelques centaines de mètres de l'église.

La partie connue la plus ancienne de Chatou est du XIIe siècle, dont on reconnait aisément les traits de cette époque au niveau du clocher. Néanmoins on sait qu'il existe une église au moins depuis le VIIe siècle mais elle était en bois. Le début de la construction de l'église actuelle est en 1160 dans un style roman avec un toit en paille. Le choeur actuel, la chapelle latérale Sud est du XIIIe siècle. En 1346, les Anglais ravagent la ville et son église, tout comme les villes aux alentours. Elle est restaurée à la fin du XIVe siècle seulement.

XVIIe siècle l'église est restaurée au niveau du Choeur et de l'autel par les dons des familles Pileur et Portail. En 1622 c'est la nef et sa voûte qui sont restaurées et probablement agrandis. XIIIe siècle le toit du clocher, alors jusque là en bâtière est modifé avec un toit à quatre pans. Mais en 1870 l'église est très fortement endommagée par des obus tirés par les troupes françaises du Mont-Valérien. Après la guerre le clocher est restauré par deux architectes : Paul Abadie et François-Eugène Bardon. 1882, la nef est agrandie par une travée supplémentaire et la façade principale reçoit un Narthex insipiré de l'église de Saint-Germain l'Auxerrois. En 1925, l'église est inscrite aux Monuments Historiques. XXe siècles les vitraux sont endommagés par la Seconde Guerre mondiale et sont déposés. En 2002 l'orgue de 1877 est restauré  et entre 2009 et 2010 elle subit un vaste plan de restauration.