La pièce la plus discrète du Palais-Royal est sans doute la petite chapelle néo-gothique édifiée sous le Second Empire par l’architecte Prosper Chabrol et le peintre Alexandre Denuelle.
Très pieuse, la princesse Marie-Clotilde disposait ainsi d’une chapelle où l’on célébrait la messe et d’un oratoire, pour prier (aujourd’hui au Conseil constitutionnel), près de sa chambre à coucher.
Les murs sont couverts d’un papier peint bleu orné de fleurons dorés. Le plafond évoque le ciel avec son papier peint bleu étoilé.
La voûte, avec deux croisées d’ogives et deux clés de voûtes, repose sur des culs-de-lampe néogothiques représentant des anges qui portent soit les armes de la famille impériale soit celles de la maison de Savoie.
Le cul-de-lampe est une pierre saillante dont la forme rappelle le dessous d'une lampe d'église, servant à supporter une base de colonne, la retombée d'un arc, des nervures de voûte ou encore une statue.
Le style néogothique est un style architectural né au milieu du XVIIIe siècle en Angleterre qui cherche à faire revivre des formes médiévales.
Les vitraux sont composés d’un décor de damier pour le pourtour et d’un treillage fleureté et de rosaces pour le centre. Deux des fenêtres font figurer les armes accolées de la famille impériale (l’aigle) et de la maison de Savoie (la croix de Savoie), sous une couronne et un manteau de velours rouge parsemé d’abeilles.
Le seul vestige du mobilier d’origine est l’autel. D’inspiration médiévale, il est composé de plaques de métal cloutées sur le bois. Il est porté par cinq colonnettes. Sur la partie postérieure, on peut voir des médaillons de couleur bleue qui portent les lettres X et P entrelacées : ce sont les premières lettres du Christ en grec, ainsi que les lettres A et O : l’alpha et l’oméga, la première et la dernière lettre de l’alphabet grec, symbolisant ainsi l’éternité du Christ.
Le tabernacle (meuble qui contient les hosties consacrées) est orné d’un Christ en gloire dans une mandorle (Le mot mandorle vient de l’italien mandorla qui signifie amande. Il désigne une figure en forme d’ovale ou d'amande dans laquelle s’inscrivent des personnages sacrés). Autour, on remarque les symboles des quatre évangélistes : l’aigle pour saint Jean, le bœuf ailé pour saint Luc, le lion ailé pour saint Marc, l’ange pour saint Matthieu.
La décoration de l’autel est l’œuvre de l’orfèvre Alexandre Chertier. Le socle qu’on voit encore au-dessus de l’autel portait une statue de la Vierge réalisée en argent et émaux. La statue, installée en 1863, a été retirée et, dit-on, mise à l’abri dans un château de la Loire pendant la Seconde Guerre mondiale. Elle n’a pas été retrouvée à ce jour.
La pièce désaffectée (c’est-à-dire qui n’est plus affectée au culte) est désormais utilisée comme salle de réunion.