Des fouilles archéologiques ont révélé que l'église primitive de Villemomble se trouvait à l'angle de la place Ducatte. Détruit en 1670, l'édifice est remplacé par une nouvelle église édifiée au bas de la rue d'Avron, dans un style assez médiocre. Elle est placée sous la double égide de saint Genès, martyr du IVe siècle, et de saint Louis. Le lieu est consacré en 1699. Au cours du XVIIIe siècle, de multiples restaurations sont nécessaires. Puis, à nouveau, de 1816 à 1819, plusieurs réparations sont effectuées. Mais l'église menace de s'effondrer et doit être désaffectée en 1900. C'est sur l'emplacement de cette ancienne église qu'est construit le premier immeuble d'habitations à bon marché de Villemomble, immeuble qui se réfère du style art-déco.
La construction d'une nouvelle église s'impose et la paroisse se met à la recherche d'un emplacement convenable. Alors que Melle Julie Outrebon, héritière du domaine de Villemomble sur lequel se trouve l'ancien château seigneurial (actuel Hôtel de Ville de Villemomble) s'associe au maire de l'époque, Constantin Louis Detouche, pour démanteler le domaine, ce dernier cède à la paroisse, en 1887, un terrain devant servir à l'édification du bâtiment. Les travaux de construction de la nouvelle église Saint-Louis débutent en 1900. Édifié selon le plan des églises romaines par l'architecte Georges Dumont, le bâtiment reste inachevé faute de moyens financiers.
Bien que récente, l'église conserve des traces de l'ancienne paroisse. Depuis 1957, une croix datant du XVe siècle a regagné l'église paroissiale après un périple laborieux. Cette croix, qui constituait l'extrémité d'un calvaire, était située en face de l'église Saint-Genès-Saint-Louis de la rue d'Avron, au croisement du chemin du Raincy et de la route de Villemomble. Déplacée au XIXe siècle, on la retrouve adossée à l'un des murs du château de La Garenne (aujourd'hui disparu). En 1889, elle est transférée dans l'église. Lorsque celle-ci est désaffectée, en 1900, un Villemomblois la récupère. Elle reste dans la famille de celui-ci jusqu'à ce que l'un de ses descendants la restitue à la paroisse en 1957. Par ailleurs, une plaque de marbre armoriée, datée de 1747, déposée dans l'église Saint-Louis, rappelle le souvenir d'une importante famille villemombloise. Cette plaque gravée évoque la demande de messes en mémoire de Marie Catherine Charlet, dame de Mesmon, et de son époux Godefroy de Romance, écuyer du roi, les propriétaires du fief de Bon recueil.
En 1923, le curé de la paroisse, Bernard Klein, prend l'initiative de doter l'église d'un clocher. Le prêtre avait fait la connaissance du sculpteur toulousain Carlo Sarrabezolles (1888-1971), grand prix de Rome. Il lui demande de donner corps à son projet. Le sculpteur s'associe à l'architecte Paul Tournon, qui sera plus tard l'architecte de Notre-Dame-des-Missions-du-Cygne d'Enghien à Epinay-sur-Seine, l'une des réalisations des Chantiers du Cardinal. Les deux hommes réalisent conjointement une véritable prouesse architecturale qui deviendra l'une des pièces majeures de l'art sacré de cette époque. Prenant appui sur un porche dont les côtés ne dépassent pas six mètres de large, le clocher s'élève à 56 mètres au-dessus du sol. Réalisé en béton, en meulière et en brique, il est couronné d'un ensemble sculptural de 28 figures en béton de sept mètres de haut chacune reprenant la thématique biblique de l'échelle de Jacob. Sa construction est contemporaine de celle de l'église Notre-Dame, au Raincy, réalisée en 1922-1923, surnommée la "Sainte-Chapelle du béton".
La difficulté d'utiliser le béton pour une telle réalisation réside dans la rapidité de séchage du matériau. Outre la contrainte de temps (environ 24 heures maximum pour chaque sculpture), Sarrabezolles travaille dans des conditions difficiles puisqu'il réalise ses œuvres directement sur le clocher, l'obligeant à faire face à l'exiguïté du lieu et à la menace des intempéries.
Cette mise en scène aérienne de saints et de personnages importants de la chrétienté atteste d'une puissante interprétation du langage gothique. La tradition veut que le saint-Bernard du clocher soit représenté sous les traits de l'abbé Klein et que Sarrabezolles lui-même soit portraituré dans l'ensemble. Au sommet du clocher, un globe de style orthodoxe surmonté d'une croix en fer forgé ouvragée surplombe l'ensemble architectural. La croix a été réalisée par le ferronnier d'art Raymond Subes. Dans le projet initial, des émaux et de la pâte de verre bleutée devait agrémenter les 28 figures, mais le coût trop élevé de l'opération laissa le clocher dans son état brut. Il n'en demeure pas moins remarquable. En 1954, le chœur de l'église est refait entièrement. L'architecture métallique, dont l'usage de l'époque interdisait de la laisser apparente, est masquée par une voûte. De grandes fresques du peintre Toublanc la décorent.
L'église Saint-Louis est inscrire au titre des monuments historiques en 1996 (hormis sa chapelle Saint-Genest construite en 1985). La commune de Villemomble souhaite obtenir le classement du clocher après sa restauration prévue fin 2022/début 2023. Restauration qui reçoit l'aide du Loto du Patrimoine.
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