L'église Notre-Dame de la Basse-Œuvre est l'édifice primitif qui a précédé la cathédrale gothique construite plus à l'est, entraînant sa démolition partielle.

Il existait probablement un groupe cathédral à cet emplacement dès l'époque carolingienne mais la ville ayant subi de nombreux incendies, on décida de reconstruire un nouvel édifice, avec des matériaux provenant des monuments antiques de Beauvais. Les textes, ainsi que les fouilles archéologiques, permettent de placer cette première phase de reconstruction sous l'épiscopat de l'évêque Hervé (987-997), qui participa financièrement l'entreprise.

Dans son état primitif, l'église comprenait un transept non débordant (avec deux piliers cruciformes et deux absidioles semi-circulaires), un porche à l'ouest (repéré lors des fouilles) avec une façade pourvue de petites ouvertures et trois vaisseaux de six travées, dont l'élévation est celle de l'édifice actuel ; le sol était couvert de dalles de craie (à l'ouest) et d'opus sectile (à l'est). Dans un deuxième temps, un portique latéral fut construit sur le flanc sud de l'église, ainsi qu'un petit édifice à abside.

Au 12e siècle, l'église fut profondément transformée : la nef fut allongée et un grand transept (environ 44 m), construit à l'est. L'ancienne croisée du transept disparut vers 1180 et la plupart des pilastres intérieurs furent alors détruits. On substitua des piliers octogonaux aux piliers carrés de la nef et le sol, surélevé de 30 cm, fut recouvert d'un nouveau dallage. Le chevet devait être alors à absides échelonnées. De part et d'autre des collatéraux et à l'angle des bras du transept se trouvaient des escaliers menant aux combles, ainsi que de grandes salles annexes de plan rectangulaire. Un décor roman fut aussi sculpté sur la façade occidentale.

En 1225, un incendie entraîna l'édification du Haut-Œuvre comme nouvelle cathédrale, mais l'église du 10e siècle continua à servir au culte et ce jusqu'au 14e siècle. Au 13e siècle, on refit aussi le chevet de l'édifice et on perça la porte sud. Ce chevet disparut à son tour au début du 16e siècle quand on édifia le transept flamboyant de la nouvelle cathédrale Saint-Pierre. A la fin du 16e siècle et au début du 17e siècle, trois travées de la nef et du bas-côté nord furent démolies pour élever les deux contreforts qui équilibrent les poussées de la croisée du transept de la cathédrale.

Un petit clocher, édifié en 1661 vers le milieu de la nef, logeait une cloche de taille moyenne et comportait une base en bois. Le conseil départemental décida de sa démolition pendant la Révolution.

A la fin du 17e siècle, la façade, qui menaçait de s'écrouler, fut restaurée mais de manière très maladroite et en 1688, on lui adjoignit un avant-corps pour la consolider.

En 1732, des travaux furent entrepris à l'intérieur, quatre piliers étant repris en sous-œuvre.

Vendue comme bien national en 1794 à Henry Cartier, elle servit de chantier à bois avant d'être rachetée par l’État en 1840 et sauvée de la destruction. A la demande de l'évêque, l'édifice redevint lieu de culte et salle de catéchisme. De 1864 à 1867, elle fut restaurée par les architectes Verdier et Aux-Cousteaux, en particulier du côté sud, assez altéré.

Les fouilles menées de 1965 à 1985 par Émile Chami ont par ailleurs révélé la présence de bâtiments annexes également préromans, notamment au sud-ouest avec la présence d'un petit sanctuaire du début du 11e siècle. Ces fouilles ont aussi mis au jour de multiples tessons de céramique, peinte ou vernissée, datant de la période carolingienne, ainsi que des débris de vitraux antérieurs au 11e siècle et de fresques.

A l'intérieur, tous les éléments du décor originel (fresques, vitraux, chapiteaux, pavement) ont disparu. L'autel actuel, en céramique peinte, a été réalisé en 1883 par l'atelier beauvaisien Lévêque.