En 1509, Guillaume Briconnet, abbé de Saint-Germain-des-Prés, donne l’autorisation de construire une chapelle à Puteaux, dépendante de la paroisse de Suresnes. La chapelle est bénie par l’évêque de Paris, Monseigneur François de Poncher, le 26 mai 1523, sous le nom de Notre-Dame-de-Pitié. Dès 1573, elle est érigée en succursale de Suresnes par sentence de l’Official de Paris. Le Saint-Ciboire y est alors conservé et elle accueille également des fonts baptismaux et un cimetière. En 1717 est créée la paroisse de Puteaux et la chapelle devient dès lors église paroissiale.
Le bâtiment initial est composé d’une simple nef couverte par une voûte de bois en berceau, et terminée par une abside à pans coupés ornée de fenêtres à meneaux de style ogival. Par la suite, la chapelle est transformée plusieurs fois.
Au milieu du XVIe siècle, des vitraux représentant notamment la vie de Saint-René, la Pentecôte et l’Assomption de la Vierge y sont installés. Ils sont datés de 1558 et porte le nom de leur donateur, Pierre Barbier, marchand boucher de Puteaux. Depuis 1886, les vitraux sont classés au titre des monuments historiques. Vers 1640, la chapelle est agrandie d’une tour en forme de clocher, dans laquelle sont installées successivement six cloches. Au milieu du XIXe siècle, un bâtiment est construit sur le côté de l’église. Il sert d’abord de poste de garde et de prison, pour être ensuite transformé en sacristie.
L’église nécessite des remises en état périodiques. Mais sa dégradation pousse le clergé à demander la construction d’un nouvel édifice, plus vaste et plus accessible : l’église Sainte-Mathilde. A partir de 1934, la vieille église est alors laissée en l’état et son orgue est déménagée dans le nouveau lieu de culte. Elle est fermée au public en juillet 1946 à cause de son délabrement. Le clocher, en ruines, est détruit en 1954. Dans les années 1960 se pose la question de sa démolition. Son classement au titre des monuments historiques en 1975 permet de lancer un grand chantier de restauration. Elle rouvre alors au culte en 1985. Outre les cérémonies religieuses, elle accueille alors des activités culturelles comme des concerts ou des conférences.
Un nouvel orgue est inauguré dans l’église le 21 juin 2000. Don de M. Dino Déon qui l’a restauré et agrandi, l’orgue date de 1955. Il est commandé électroniquement depuis un clavier installé à côté du chœur. En 2012, un campanile est édifié à proximité pour y accueillir à nouveau une cloche, en mémoire de celle du XVIIe siècle.
Le mauvais état de l’église oblige à une nouvelle fermeture du bâtiment quelques années plus tard. Des fouilles archéologiques et des travaux de restauration sont actuellement en cours pour redonner au monument historique sa grandeur passée.
La première cloche est bénie en 1643 et est appelée « Charlotte ». La seconde est installée en 1648, sous le nom de « Catherine ». La troisième, montée en 1662, est également appelée « Charlotte ». Quelques années plus tard, en 1685, deux cloches sont bénies, l’une en mars, dont le nom « Jean Baptiste Louise » est donné par le célèbre musicien Jean-Baptiste Lully, et l’autre en avril, prénommée « Marie Charlotte ». Une sixième et dernière cloche est installée en 1713, sous le nom de « Marie Edmée ». Sous la Révolution, malgré la volonté de la municipalité de garder les cloches, celles-ci sont fondues pour en faire des canons. Ce n’est qu’au milieu du XIXe siècle que de nouvelles cloches sont réinstallées à l’église. « Louise-Marie », « Augustine Théodorine » et « Caroline Léopoldine » sont bénies le 7 décembre 1856, en présence de plusieurs personnalités de l’époque, comme la princesse de Bauffremont et le baron Lepic. Les cloches sont l’œuvre du fondeur Auguste Hildebrand. Les dégradations successives de l’église les menacent. En 1899, suite à un incendie dans le clocher, elles manquent de tomber. Elles sont finalement retirées en 1954 lors de la destruction du clocher avant d’être installées dans le jardin Offenbach à l’occasion de l’inauguration de celui-ci en 1965.
