Dans les années 1920, le quartier de la porte de Saint-Cloud est en pleine expansion. Une nouvelle église est jugée nécessaire. Par chance, avant d'entrer au couvent de l'ordre de la Visitation fondé par François de Sales et Jeanne de Chantal, une habitante du quartier fait un don important pour aider à la construction de l'édifice. Et elle demande que l'église soit dédiée à sainte Jeanne de Chantal. L'architecte Julien Barbier (1869-1939) est chargé de la tâche.
Son premier projet est rejeté par la Ville de Paris qui déplore son manque d'ambition. À la Porte de Saint-Cloud, il faut quelque chose d'un peu grandiose ! L'édifice sera de style byzantin (devenu très à la mode après la redécouverte de l'ancienne basilique Sainte-Sophie de Constantinople au XXe siècle).
La construction démarre en 1935 sur un projet revu et amplifié. Après la mort de l'architecte, Gérard Barbier et Charles Venner reprennent le chantier. Quand la guerre éclate, seul le chœur est achevé. Proche des usines Renault de Boulogne-Billancourt, il va subir les bombardements alliés pendant la seconde guerre mondiale.
La construction reprend en 1949 dans le cadre des Chantiers du Cardinal. Des aménagements y sont portés : on prolonge la nef ; on aplatit la coupole. L'édifice est achevé en 1952 par les architectes André Blanc et Charles Nicod.
L'église Sainte-Jeanne-de-Chantal possède une structure en béton. Les murs en moellons sont recouverts de «pierres reconstituées». L'intérieur, très vaste, affiche une élégante sobriété.
Seule la chapelle du Saint-Sacrement, située derrière le chœur, possède des vitraux figuratifs, au nombre de huit. Créés par l'atelier Jacques Le Chevallier, et posés en 1954, ils illustrent les Litanies de la Vierge.