Les peintures murales de la chapelle Sainte-Madeleine, consacrées à la vie de la sainte éponyme, forment un bandeau qui se déroule dans la partie inférieure des trois murs de la chapelle. Ces scènes peintes résultent vraisemblablement d'une unique campagne de décoration, effectuée à la fin du 15e siècle ou dans le premier quart du 16e siècle.

Pourtant, cet ensemble présente aujourd'hui une hétérogénéité stylistique très visible, qui isole le mur est, et réunit les murs sud et ouest. Cette différence de style semble imputable aux diverses restaurations dont a bénéficié l'oeuvre depuis sa redécouverte. Les noms du commanditaire et de l'artiste ne sont pas connus. Le fond de la niche renfermant le lavabo portait également un décor peint représentant deux anges prosternés au pied d'un ostensoir d'or, que l'architecte Bénard date du 16e siècle, et qui a disparu depuis. Cette chapelle profite d'embellissements à plusieurs reprises sous l'Ancien Régime. Quentin de La Fons signale que, dans les années 1630, le chanoine et sous-chantre Quentin Descaures a fait orner et peindre cette chapelle, sans préciser toutefois l'étendue de l'intervention.

Certains auteurs attribuent à ce mécénat, une grande représentation d'un saint Quentin glorieux, dont il ne subsiste plus que des fragments à l'extrémité orientale du mur sud, ainsi que la Vierge et le Christ tenant le globe terrestre, qui dominent le lavabo en niche. Dans un article de 1863 (reproduisant une communication de 1861), Pierre Bénard signale également dans cette chapelle la présence de peintures purement décoratives, et plus récentes que celles consacrées à sainte Madeleine : "de grands anges ouvrent les rideaux d'un baldaquin, au-dessus duquel s'étend un vaste champ gris azuré, semé de fleurs de lis d'or". Cette ornementation, qui a disparu depuis, appartenait peut-être aussi à la commande du chanoine Descaures. La plaque commémorative en marbre, fixée sur le mur ouest, attribue au chanoine Nicolas Lefebvre, dans le premier tiers du 18e siècle, le renouvellement complet de l'ameublement et du décor de cette chapelle, incluant la pose de lambris qui masquaient sans doute la partie inférieure des parois.

Pendant la première moitié du 19e siècle, le décor peint est invisible, caché sous un badigeon que certains auteurs datent de 1785 ou 1787, sans citer leurs sources. A ce sujet, le badigeon devait plutôt être, soit postérieur à l'incendie de 1669, soit postérieur à la Révolution car, à la fin du 18e siècle, toutes les chapelles, sauf celle du Sépulcre, étaient couvertes d'un lambris en bois. Il était donc inutile de badigeonner des peintures déjà masquées. C'est à l'occasion de la restauration intérieure du monument, sous la direction de l'architecte Pierre Bénard, que les peintures sont remises au jour en 1858. La description que Bénard en effectue, immédiatement après la découverte, laisse sous-entendre que seuls les murs sud et ouest de la chapelle sont alors débarrassés de leur badigeon. Ce nettoyage gagne rapidement le mur oriental, puisqu'un autre article de Pierre Bénard, du début des années 1860 mentionne cette fois la scène du repas chez Simon.

La chapelle est entièrement restaurée vers 1890 et elle est bénie le jeudi 29 octobre 1891, sous le vocable de chapelle Sainte-Marthe et Sainte-Madeleine. C'est peut-être à cette restauration qu'on doit l'altération non négligeable de la facture d' origine des peintures du mur oriental. Une deuxième intervention aurait été effectuée en 1959 par monsieur R. Baudoin. En dépit d'une dernière restauration réalisée en 1998 par l'atelier ARCOA de Montesson, la dégradation de la peinture se poursuit, provoquée par l'humidité des murs.