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Elle a été nommée ainsi en mémoire du premier évêque de Paris, saint Denis (en conservant une graphie ancienne du nom de ce saint appelé Dionysius en latin), et en mémoire des bénédictines du Saint-Sacrement qui s'étaient installées là à l'époque de la contre-réforme catholique.

Le nom de Saint-Sacrement est dû à ce qui motiva la conversion au catholicisme du maréchal : le Saint-Sacrement. [réf. nécessaire]

L’architecture néoclassique et la décoration sont typiques du début du xixe siècle et fort similaires à Saint-Pierre-du-Gros-Caillou.

L'église possède deux orgues

Elle a été classée monument historique par arrêté du 28 février 20141.