L’histoire de la crypte du Martyrium remonterait à la seconde moitié du IIIe siècle. Selon la tradition rapportée, saint Denis, évêque de Paris, y aurait été martyrisé avant d’être inhumé sur la colline de Montmartre. Deux siècles plus tard, sainte Geneviève aurait fait construire une chapelle destinée à abriter le tombeau du martyr. La crypte devient alors un lieu important du pèlerinage chrétien.
Son histoire est également liée à la fondation de l’ordre des Jésuites. En 1534, Ignace de Loyola et ses compagnons viennent y prononcer le « Vœu de Montmartre », acte qui donne naissance à cet ordre religieux. La crypte, endommagée au fil des siècles, connaît plusieurs phases de reconstruction. Elle est reconstruite au IXe siècle, puis de nouveau à la fin du XIXe siècle. Ces transformations successives témoignent de la continuité de son importance religieuse et mémorielle, depuis le culte associé à saint Denis jusqu’à l’événement fondateur de la Compagnie de Jésus.