В XII веке каролингской церкви потребовалась реконструкция. С одной стороны в некоторых частях здание находилось в критическом состоянии, с другой стороны, оно было уже недостаточно вместительно и не вполне удовлетворяло новым потребностям аббатства. Строительство четвертой базилики, построенной под патронажем аббата Сугерия, началось около 1130 года и продолжалось до самой его смерти в 1151 году.
Сугерий хотел сохранить сначала каролингский неф, который, как он считал, был освящен самим Христом, и решил строиться на западе, на востоке, на севере и на юге. Он начал с нартекса на западе, и объединил его с нефом, предварительно разрушив каролингский фасад, нартекс и l’augmentum.25 "Затем, он строит новый трансепт и просторный хор на востоке, перемещая, таким образом, алтарь на восток и преобразуя крипту в целом. Когда этот хор был объединен, в свою очередь, с каролингским нефом, он начал расширение этого нефа… во внешнюю сторону, идя с востока к западу26", но смерть не позволила ему закончить этот проект.
Нартекс содержал три часовни на первом этаже. Уровень двух боковых часовень был поднят на 0,90 м, добирались к ним с помощью двух лестниц, расположенных в северной и южной башнях. По мнению Ж.Формиже, южная башня и трансепт были закончены в 1148, до смерти Suger, последовавшей в 1151 году. С.М. Кросби считает, что работы над трансептом были начаты, но не закончены при жизни Сугерия. Несмотря на замечания Формиже о существовании оснований колонн в восточной части трансепта, Кросби не обнаружил никаких остатков восточных сторон трансепта – ни восьмого века, ни двенадцатого27. Сугерий сам писал неоднократно о своем желании объединить восточную и западную части церкви яркой новой серединой, однако, он также выражал опасение, что эта работа никогда не будет завершена.28 Археологические изыскания Кросби обнаружили только три фрагмента двенадцатого столетия в области трансепта, "они включают юго-западный проем (в стене) и трюмо южной двери трансепта, которая должна была открываться в монастырь; западную внутреннюю часть северной двери трансепта и западную часть опоры двенадцатого столетия с северной стороны полукруга хора, найденной между поднятым уровнем пола хора и более низким уровнем пола Каролингского нефа восьмого столетия".29
Северная башня была закончена после смерти Сугерия. В 1219 года в нее попала молния и в XIII веке она была восстановлена. Западный фасад и нартекс были освящены 9 июня 1140. Пятью неделями позже, 14 июля, был заложен первый камень нового хора, который был освящен 11 июня 1144 во время великолепной церемонии, описанной самим Сугерием. В этот же день были освящены алтари перестроенной крипты.
Жюль Формиже предложил интересную реконструкцию задуманного Сугерием плана базилики. Он предполагает, что многое определялось тем, что церковь, как и все аббатство, была укреплена ввиду возможного нападения врага. В связи с этим башни нартекса и ярус фасада над окном-розой заканчивались зубцами, придавая фасаду вид грозной крепости. Перед порталом на расстоянии двенадцати метров был ров, наполненный водой. Подъемный мост вел к укрепленным двумя башнями воротам наружной стены аббатства30. От ворот до портала расстояние равнялось двадцати четырем метрам. После строительства хора и трансепта, было задумано расширить во внешнюю сторону боковые нефы и воздвигнуть посредине их ряды круглых колонн. Образовавшиеся два нефа должны были быть покрыты эмпорами.31 Трансепт должен был находиться на одной линии с хором и нефом и не должен был выдаваться за пределы нефа. Однако при Сугерии старое трехнефное тело базилики было лишь реставрировано и над ним оставалось старое перекрытие. Вышеупомянутая колоннада не была воздвигнута. После Сугерия, в течение всего XIII века и до начала XIV века, велись строительные работы. Трансепт и неф были перестроены между 1231 и 1281 годами в духе высокой готики, также перестроен хор Сугерия. От него сохранилась лишь обходная галерея с венцом капелл, несущих остатки витражей XII века, а о конструкции хора теперь мы можем судить только гипотетически32. Важную роль в строительных кампаниях тринадцатого века сыграли аббаты Од Клеман (Eudes Clément) (1229-1245), Гийом де Массури (Guillaume de Massouris) (1245-1254) и Мэтью де Вандом (Mathieu de Vendôme) (1258-1286). Акт закупки земли и карьера в Конфлане (Conflans) от октября 1247 года называет архитектора Пьера де Монтрейля, но из этого документа невозможно точно установить, что именно Пьер де Монтрейль сделал для Сен-Дени. В середине тринадцатого века в церкви устраиваются гробницы с указанием королей и королев, похороненных в Сен-Дени, в их число попадает и Карл Мартелл, родоначальник каролингской династии, из уважения названный rex.33 В период с 1299 года по 1303, устраивается капелла на юге восточного конца в память о святом Людовике, умершем в 1270 и канонизированном в 1297, останки которого похоронены на стыке трансепта и нефа. С северо-западной стороны нефа между 1320 и 1324 годами появляются шесть капелл34.
В шестнадцатом веке в монастырской церкви проводятся работы по строительству ротонды Валуа – мавзолея, начатого между 1559-1587 годами и предназначенного для погребения Генриха II, Екатерины Медичи и их детей. Однако религиозные войны, грабеж аббатства гугенотами в 1567 году прервали созидательный процесс. А в 1719 году незаконченный памятник был уничтожен. Его "место отмечено большой круглой плитой из бетона, воспроизводящей план ротонды, которая была устроена недавно в саду Пьера де Монтрейля, на севере базилики"35 Столетняя война и Гугенотские войны внесли большой вклад в картину разрушения аббатской церкви. Известно, что в 1435 и 1567 аббатство было в центре конфликта, но точного описания потерь не обнаружено.36 Как место погребения королей Франции оно сильно пострадало в 1793 году37, считается, что головы скульптур были изувечены именно в тот период. Проект радикальной реконструкции внутренней части церкви, предложенный в 1781, связанный "с созданием в крипте капеллы Бурбонов, не был осуществлен по политическим и финансовым причинам. Несколькими годами позже, могилы, витражи и сокровища аббатства были расхищены во время Революции. Здание чудесным образом ускользнуло не только от разрушения по распоряжению Национального собрания, и от ярости революционеров, но также от проекта Наполеона, связанного с превращением монастырской церкви в императорский мавзолей"38, и пережило пагубные реставрации первой половины ХIХ-го века. В 1837 году молния поразила шпиль северной башни. Для ее восстановления архитектор аббатства Франсуа Дебре использовал камень, вес которого значительно превышал вес известняка, использованного при строительстве. Это привело к возникновению серии трещин по всей структуре фасада, которые распространились и на тимпаны всех трех порталов. В результате северная башня была демонтирована вовсе, а западный фасад и скульптура подверглись масштабной реставрации, которая кардинально изменила облик фасада. Разрушительная деятельность Дебре в конце концов привела к его отстранению. После этого, Эжен Виолле-ле-Дюк и барон Гилерми (Guilhermy) решили "вернуть базилике ее прежний блеск. В течение этого периода, королевские могилы, которые прославили аббатство, неоднократно перемещали между Сен-Дени и Парижем, затем, после их возвращения в монастырскую церковь, между криптой и нефом. Они сохранены, к счастью, благодаря усилиям Александра Ленуара. Учредитель музея французских Памятников намеревался спасти также от разрушения надгробные памятники других церквей, которые находятся сегодня в Сен-Дени… Изменения продолжались. Можно увидеть ныне в крипте строгого Хильдуина шесть плит черного мрамора, под которыми были помещены останки королей и королев, которые избежали, по различным причинам, разрушений королевских погребений, совершенных Революцией. Наиболее старые останки, по иронии судьбы, это останки Людовика VII (1137-1180), покровителя Сугерия, который бросил вызов аббату Сен-Дени, повелев похоронить себя в цистерцианском аббатстве де Барбо (Barbeaux) (около Фонтенбло); остатки скелета короля хранились во время Революции доверенным лицом аббатства, а затем были перенесены в Сен-Дени 1-ого июля 1815. Рядом с останками Людовика VII лежат тела, (предположительно), Марии-Антуанетты (1755-1793) и Людовика XVI (1754-1793), короля Франции с 1774 по 1793, возвращенные в 1817 с кладбища Мадлен де Пари, где они были похоронены после казни… Зал на юге старой крипты был восстановлен и превращен в часовню, названную капеллой Принцев или Бурбонов, которая укрывает кенотафы различных королевских персон…различные элементы остались в течение лет разбросанными в крипте, затем снаружи церкви, на месте существующего сада Пьера де Монтрейля…"39. Реставрация портала северного рукава трансепта, названного Дверью Валуа, возродила утраченное великолепие. Редкие сугериевские панели витражей, которые пережили все революционные события, были снова подняты в церковь в XIX веке. Но демонтированные и сохраненные в укрытии по причинам безопасности, они были заменены не современными копиями, приближающимися к оригиналу, а пластифицированными диапозитивами в масштабе ("diapositives à l'échelle, plastifiées"), и "цвета их сильно отличаются от витражных панно XIX века, которые их окружают"40.
Витражи были особой гордостью Сугерия. Дошедшие до нас немногочисленные панно включают тему Иессеева Древа и Детства Христа в осевой капелле (капелла Девы). С левой стороны от осевой находилась капелла со сложными аллегорическими композициями, включающая темы Mедного змия, Квадриги Аминодава, Христа, коронующего Церковь и снимающего покрывало с лица Синагоги, Апостола Павла, перемалывающего зерна Ветхого Завета в муку Нового. Кроме того, по предположению Л. Гродецкого, капеллу, расположенную справа от осевой, украшали сюжеты, посвященные Страстям Христа, и ветхозаветные сцены. Сохранился медальон со сценой из Пророчества Иезекииля – начертание знака Тау на челах верных. Таким образом, три центральные капеллы посвящены христологической теме, и взаимосвязи Ветхого и Нового заветов. В оставшихся боковых капеллах были, по всей видимости, исторические и агиографические циклы41. Об этом приходится судить по сохранившимся фрагментам, рисункам и гравюрам. Были представлены, по крайней мере, два житийных цикла – сохранились медальон со сценой смерти св. Бенедикта, и сцена мученичества св. Винсента. Исходное местоположение мученичества св. Винсента дискутируется, а панели со сценами, посвященными житию Св. Бенедикта, могли иметь отношение, по крайней мере, к двум окнам крипты.42