La construction, démarrée en 1935 à l'initiative de Mgr Eugène-Edmond Loutil (1863-1959) pour rendre hommage à sainte Odile, sainte patronne de l'Alsace d'où sa mère était originaire, se termine en 1946.
L'architecte, Jacques Barge (1904-1979), choisit de s'inspirer des édifices byzantins. La structure de l'édifice est réalisée en béton armé. Le soubassement est revêtu de briques en grès rosé de Saverne.
L'édifice est couvert de trois coupoles surbaissées. Il est dominé par un clocher de 72 mètres de haut, le plus haut des clochers parisien.
Sur la façade de l'église, le tympan est un imposant bas-relief, œuvre d'Anne-Marie Roux-Colas (1898-1993). La mandorle centrale réunit la Sainte Trinité. Introduite par la Vierge Marie, sainte Odile s'approche du Père Céleste et du Christ qui s'apprête à la ceindre d'une couronne (laquelle doit ici être prise pour un symbole de sainteté). La scène est saluée par les anges musiciens, répartis en neuf chœurs.
A l'intérieur l'on découvre à gauche de la nef trois chapelles latérales très dépouillées et à droite trois magnifiques verrières signées François Décorchemont (1880-1971), au dessus d'une suite d'arcades ornées de chapiteaux sur un fond de grès et de briques roses
Les trois coupoles
Les consoles à la retombée des arcs-doubleaux entre les coupoles sont ornées de bas-reliefs d'Anne-Marie Roux-Colas. Ils évoquent les quatre évangélistes
Dans le chœur de Sainte-Odile nous pouvons admirer le retable réalisé par Robert Barriot (1898-1970). Il se compose de sept panneaux de cuivre rouge repoussé au marteau de plus de trois mètres de hauteur, qui représente au registre inférieur les sept Églises de l'Apocalypse et au registre supérieur, les vingt-quatre vieillards.
Le maitre-autel est signé du verrier Auguste Labouret (1871-1964)
Le tabernacle
Les vitraux du chœur
Statue de Sainte Odile guérissant une fillette aveugle par Gérard Ambroselli
La Sainte Vierge offrant son enfant au monde par Anne-Marie Roux-Colas