L'histoire de Notre-Dame la Riche est mal connue. A peu près à l'endroit de l'édifice actuel, on est sûr de l'existence d'une église Notre-Dame la Pauvre au Xe siècle qui prenait en charge la sépulture des pauvres. L'origine de cette première église pourrait être la présence d'un tombeau de saint Gatien.
Au XIIe siècle, on reconstruit une nouvelle église qui devient Notre-Dame la Riche (appellation attestée en 1202). Peut-être ce nom vient-il de l'afflux des pèlerins venus prier Notre-Dame et saint Gatien. On sait que Louis XI venait y prier quand il se rendait de Tours à son château du Plessis. Plus tard on y déposa les reliques de saint François de Paule. Elles y sont toujours. François de Paule est le fondateur de l'ordre des Minimes ; il fut proche du roi dans ses derniers mois.
Au XVe siècle, dans l'élan de construction qui a marqué la reprise économique de l'après-guerre de Cent Ans, l'église est totalement rebâtie. Pendant les guerres de Religion, les protestants mettent à sac l'édifice.
A la Révolution, l'église Notre-Dame la Riche, qui n'est pas vendue, est aménagée en fabrique de salpêtre. Enfin, l'église est restaurée sous le Second Empire : nef et collatéraux, façades ouest et sud, couvrement de la nef, portails ouest et sud entièrement refaits. C'est ainsi qu'on peut venir la contempler.