Après les troubles de la Guerre de cent ans, la communauté de Molesme avait du célébrer le culte dans la chapelle de l'Infirmerie, trop petite au regard de l'affluence des pèlerins. Mais surtout, il manquait une église capable de rivaliser avec l'harmonie des bâtiments du monastère, la tour abbatiale venant d'âtre achevée et le cloître refait en partie.

L'abbé Antoine de Vienne prit l'initiative de cette construction. Le 24 septembre 1534, la première pierre de la nouvelle abbatiale fut posée contre le tombeau de saint Robert qui était alors au milieu de la nef de l'ancienne église. A sa mort, en 1552, la nef de l'église n'était pas terminée : deux travées seulement au lieu des sept prévues étaient élevées. L'église conservera ces dimensions jusqu'au début du XVIIIe siècle, époque où elle fut prolongée de 2 travées.

 A chaque angle de l'église s'élevait une tourelle et la croisée supportait un clocher surmonté d'une croix. Sur les six tours se dressaient des statues colossales : l'ange Gabriel saluant la Vierge, patronne de l'abbaye, saint Robert et saint Jean-Baptiste, patrons de l'église, saint Benoît patron de l'ordre et un autre saint non identifié. Ces statues étaient de plomb couvert de feuilles d'or, illuminant le toit d'ardoises grises de l'église. Détruites par les huguenots, ces statues surent remplacées par des fleurs de lys en plomb.

De cette église, que certains ont pu comparer à Sainte-Sophie de Constantinople, ne subsistent que quelques pierres, mais surtout l'orgue, récemment restauré, et les stalles transférés en l'église de Ricey-Bas lors de la Révolution