Construit par J.Hardouin Mansart à partir de 1679 et terminé en 1706, il forme un couronnement royal à l'édifice.
C'est le plus beau dôme jamais construit en France dont le lanternon ajourné culmine à 107 m et qui fut redoré, en 1989, à l'occasion du bicentenaire de la Révolution. Douze kilos furent nécéssaires à cette opération.
Depuis l'extérieur on peut admirer la façade composée de deux ordres dorique et corinthien superposés ; des statues de Charlemagne et de St Louis par Coysevox et N.Coustou ornent les niches des étages inférieurs ; à l'étage supérieur la Force, la Justice et la Tempérance avec la Prudence par Coysevox.
A l'intérieur la grande fresque peinte sous la coupole par Charles de la Fosse "St Louis remettant son épée à Jésus Christ a été récemment restaurée. L'église du Dôme est devenue nécropole militaire:elle abrite les sépultures de Turenne, Vauban, Foch, Lyautey ainsi que celles de Joseph et Jérôme Bonaparte.
La crypte abrite quant à elle le Tombeau de l'Empereur Napoléon 1er façonné dans des blocs de porphyre rouge, placé sur un socle de granit vert des Vosges.