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L’édifice est relativement méconnu, mais les spécialistes le considèrent comme une pièce maîtresse de l’architecture religieuse provençale du XIX^e siècle.

La chapelle Saint-Louis est construite pour l’hôpital militaire de Saint-Mandrier fondé sous Louis XIV. Ce dernier est reconstruit au début du XIX^e siècle pour faire face aux besoins du moment. Le projet de l’hôpital, réalisé en 1818 par l’ingénieur maritime Raucourt de Charleville, est repris par Honoré Bernard. Il décide que la chapelle doit se trouver sur l’une des terrasses réalisées à flanc de colline, face à Toulon et sa célèbre rade, au milieu d’un parc de verdure qui comprend le cimetière et un jardin botanique. Le bagne de Toulon est chargé de fournir la main d’œuvre : six cents forçats travaillent sur le chantier de l’hôpital, taillant les pierres et fabriquant la chaux grasse dont ils ont besoin. Le chantier de la chapelle dure quatre ans, de 1825 à 1829, et les derniers symboles du culte (dont l'autel) sont mis en place en 1840.

L’édifice, d’architecture néo-classique et construit en calcaire blanc provenant de la région, se présente sous la forme d’une rotonde entourée à l’extérieur de colonnes à chapiteaux ioniques. Son diamètre total est de 20 mètres et la hauteur totale extérieure de 17 mètres. L’accès se fait par de larges volées d’escaliers monumentaux, au  nord (entrée principale), à l’est et à l’ouest. Les portes latérales à double ventaux sont particulièrement ouvragées.

La voûte est faite d’un calcaire jaune plus tendre et léger. A l’intérieur, seize colonnes surmontées par des chapiteaux corinthiens portent une voûte semi-sphérique ornée de caissons à rosaces et percée d’un oculus circulaire central, unique source de lumière de la chapelle. Le sol est dallé de plaques de marbres convergeant vers un motif central en forme d’étoile sur laquelle se détache une croix tréflée. Le chœur se trouve côté Sud : un espace rectangulaire déborde sur le péristyle afin de dégager la place nécessaire à l’autel central, à la sacristie, et à l’escalier permettant d’accéder à la tribune.

Le tambour sur lequel repose la coupole est ajouré par une série de huit ouvertures qui éclairent la tribune, galerie circulaire située à l’aplomb du péristyle. L’escalier de la tribune est constitué de marches qui ne sont pas fixées dans le mur mais supportée chacune par la précédente.

Lorsque, en 1936, l’hôpital est transféré à Toulon pour laisser la place à l’école des mécaniciens chauffeurs et scaphandriers, la chapelle est surnommée « chapelle des mécaniciens ».