Construite en annexe de Saint-Bénigne au XIème siècle sur l'emplacement d'une petite basilique mérovingienne, et ne fut érigée en paroisse qu'au XIème siècle. Remaniée au XIIème, entièrement couverte de voûtes d'arêtes, Saint-Philibert est le seul édifice roman de Dijon.
La tour de style gothique flamboyant fut élevée au XVème siècle sur la croisée du transept.
A son sommet, une magnifique flèche octogonale de pierre aux arêtes festonnées de crochets fut élevée en 1513. La croyance populaire veut que le Diable ait érigé celui-ci en une seule nuit. Actuellement, on peut observer que le clocher présente une légère inclinaison.
Le porche fut remanié aux XVIème et XVIIIème siècles. Les chapelles latérales furent édifiées dans la seconde moitié du XVIIIè siècle.
Désaffectée à la Révolution, l'église servit, entre autres, de dépôt militaire avant de subir une vraie mutilation : la destruction de son abside et de ses deux absidioles pour créer la rue des Vieilles-Étuves. Pendant la Seconde Guerre mondiale, elle servit d'entrepôt à sel. Celui-ci s'incrusta lentement dans le sol, sans toutefois provoquer immédiatement de dégâts. Dans les années 1970, des travaux d'aménagement intérieurs furent effectués afin de rendre l'église aux fidèles.
Malheureusement, la mise en marche du chauffage par le sol condamne l'édifice : le sel remonte dans les piliers et ronge la pierre. Devenue instable et dangereuse, Saint-Philibert fut fermée au public en 1979.
Depuis 1980, toute une série de mesures utilisant les méthodes les plus modernes ont été prises pour permettre d’enrayer la dégradation de l’église. Depuis 2002, elle est rouverte exceptionnellement pour les journées du Patrimoine.
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