Réalisée durant l’année 2010, l’opération d’archéologie du bâti menée à l’intérieur de la Sainte-Chapelle en parallèle aux travaux de restauration, a permis de recueillir de nombreuses données renseignant sur l’évolution de l’édifice au cours des périodes médiévale, moderne et contemporaine.

L’analyse des maçonneries a permis d’établir une chronologie relative de l’édifice, précisée par le recours aux sources manuscrites et iconographiques. Ainsi a-t-il été possible de déterminer l’aspect du monument construit ex nihilo au début du XV^e siècle par Amédée VIII, qui présentait à l’origine un chœur profond, flanqué d’une chapelle seigneuriale, et précédé d’une nef courte à travée unique. Néanmoins, des désordres de l’appareil témoignent d’un rapide changement de parti, visant à doter l’édifice d’une chapelle haute accessible par un passage mural. Yolande de France, à partir de 1466, dote l’édifice d’un clocher, desservi par une tourelle d’escalier reliée aux « maisonnements » à l’est de la Sainte-Chapelle. En parallèle, elle dote le sanctuaire d’orgues monumentales, en relation avec la création d’une véritable maîtrise de chœur, qui prennent place dans la tribune orientale de l’édifice, laquelle n’était pas destinée – contrairement à la tradition véhiculée par les différents historiens de la Sainte-Chapelle – à accueillir le duc et son épouse. L’édifice abrite à partir de 1502 le Saint-Suaire, déposé dans une châsse qui prend place dans une niche aménagée à cet effet dans le chœur. L’incendie de 1532, puis le transfert de la Sainte-Relique à Turin, ont des conséquences importantes sur l’édifice, lequel est dans un état de dégradation avancé, notamment pour la nef, au milieu du XVII^e siècle, lorsque Christine de France entreprend une restauration générale de l’édifice. Une nouvelle façade est élevée, les voûtes sont refaites, les grandes fenêtres en partie murées, les accès aux chapelles latérales du chœur reprises… Par la suite, son fils, Charles-Emmanuel II donne de nouvelles grandes orgues au chapitre, qui prennent place dans la chapelle de Nemours, nécessitant l’aménagement d’un niveau intermédiaire dans la chapelle haute de Nemours. Des annexes sont accolées à l’ouest du monument et un accès est créé vers l’extérieur depuis le chœur. En 1726, une galerie est construite pour relier les logis à l’est de la Sainte-Chapelle et la nouvelle tribune ducale placée au revers de la façade. L’aménagement d’une nouvelle tribune au XIX^e siècle, lors de la Restauration sarde, entraîne de menus travaux. Classée Monument historique en 1881, la Sainte-Chapelle est l’objet de plusieurs campagnes de restauration, dont la dernière vise à redonner à l’édifice la place qu’il mérite dans le patrimoine monumental de la fin du Moyen Age en Savoie.