Grâce aux deux campagnes de fouilles archéologiques entre 1914 et 1918, puis entre 1971 et 1974, nous savons que quatre édifices religieux, liés essentiellement au culte funéraire, se succèdent à l'emplacement d'un mausolée datant du Ve siècle. Une première église est érigée à la fin du Ve ou au début du VIe siècle, une deuxième à la fin du VIe ou au VIIe siècle, une troisième au IXe siècle et une quatrième dans la seconde moitié du XIe siècle. A la fin du XIVe siècle, l’église est reconstruite et sa surface est triplée. En 1430, suite à l'incendie qui ravage la ville, la nef charpentée est recommencée, puis un choeur polygonal est édifié aux frais du syndic J. de Rolle, mort en 1463. A la veille de la Réforme, l’église compte plus de 25 chapelles et ses biens témoignent alors de sa richesse. La Réforme fait disparaître tous ses biens pour ne laisser qu’une chaire au milieu des 4 murs. L’église devient alors un temple. Sous l’Ancien Régime, des galeries sont édifiées pour permettre l’accueil simultané de tous les fidèles. En 1846, elles subissent un profond réaménagement. Lors de cette restauration, plusieurs fenêtres sont ouvertes afin d’apporter un éclairage naturel dans l’édifice. La façade d’entrée est remaniée. L’architecte J.-P. Guillebaud dirige ces travaux. Suite à l’élargissement de la rue Toutes-Ames, la première chapelle à droite de l’entrée est condamnée. En 1910, après la séparation de l’Eglise et de l’Etat, la Ville remet la Madeleine à l’Eglise protestante. De nouveaux travaux de restauration sont dirigés par C. Martin entre 1914 et 1924. La galerie latérale est supprimée, les fenêtres ouvertes pour éclairer cette galerie sont murées. La rose de la façade d’entrée est dégagée et le buffet d’orgue transféré derrière la chaire. A l’extérieur, la façade sud est complètement recomposée pour retrouver en partie le rythme des ouvertures médiévales. Le portail néo-gothique est supprimé, alors que le clocher, qui renferme encore aujourd’hui la plus ancienne cloche de la ville, reçoit une nouvelle horloge. En 1926, Alexandre Mairet gagne le concours de vitraux lancé pour agrémenter l’église dépouillée de son décor intérieur. Une nouvelle restauration est dirigée de 1968 à 1975 par R. Breitenbucher. Elle montre le souci de vouloir retrouver les origines pré-réformées. La tribune au-dessus de l’entrée est démolie pour dégager tout le volume de l’édifice. L’espace culturel est modifié pour retrouver un axe central dirigé vers l’espace liturgique et situé dans le chœur, tel qu’il était à l’origine. Entre 1987 et 1991, les fenêtres des chapelles latérales sont dotées de vitraux réalisés par José Venturelli. (BONNET-BREITMEYER 1992 / BRULHART-DEUBER-PAULI (1985) 1993)