Une église aurait été fondée, selon la tradition locale, par Gervais et Protais Regnault, fils de Charles Regnault, seigneur de la Renaudière, à Saint-Quentin et liés par leur mère, sœur de Judicaël, au trône de Bretagne. Le premier est capitaine d'Avranches, l'autre capitaine de Nantes. Habitants au manoir Saint-Gervais à Avranches, ils fondent le lieu de culte en 628, le roi Dagobert leur en accordant la permission par une charte expédiée au château de Clessy-la-Garenne, près Paris, le 20 avril 637. La chapelle est achevée le 9 mai 638 et placée sous l'invocation des jumeaux martyrs Gervais et Protais le 14 août 639 en présence des deux chevaliers, de l'évêque de Metz Arnould, de celui de Cologne Gombert. Les armoiries des deux frères présentes sur les vitraux de l'église auraient été détruites à la Révolution. Elle a, depuis Saint-Aubert, vers l'an 700, le privilège de la première visite de l'évêque d'Avranches avant son entrée dans la cathédrale Saint-André.
L’ancienne église Saint-Gervais datait du milieu du XVIIe siècle, présentait une tour de façade surmontée de deux dômes. Dans les années 1825-1834, les couvertures des toits et du clocher étaient dans un piteux état et des réparations etaient indispensables. A la demande de la ville, un nouvel édifice reprenant à l'identique le précédent jugé vétuste, est construit en 1843 par l'architecte Cheftel. Entre 1843 et 1852, on reconstruit les murs de la nef, du chœur et des transepts en agrandissant l’église vers l’est. Les chapelles nord et sud du transept agrandirent encore l’édifice. En 1865, le chœur fut rehaussé afin de s’harmoniser avec les nouveaux aménagements. En 1876, un clocher de style néo-gothique fut reconstruit. En 1890, la reconstruction de la tour façade est entreprise par Cheftel fils. Elle est érigée en basilique mineure en 1894, probablement pour consoler les Avranchinais de la perte de la cathédrale Saint-André et du siège de l'évêché d'Avranches après la Révolution. Les travaux s'achèvent en 1899.
La Basilique Saint Gervais et Saint-Protais affecte un plan en croix latine, les bras du transept se terminant en hémicycle. Nonobstant, la distribution et la circulation internes confèrent à l'édifice un caractère basilical marqué, la croisée n'étant pas d'ailleurs surmontée d'une coupole. La nef centrale, accostée de deux collatéraux, est rythmée par une colonnade toscane portant architrave, frise ornée de triglyphes, et forte corniche. Au-dessus d'une balustrade, l'éclairage est assuré de part et d'autre par trois baies à lunettes dont les voûtes pénètrent celle de la nef, plein-cintre et ornée de caissons. Le chœur poursuit le parti fort sobre de la nef : son hémicycle est entouré d'un déambulatoire sur lequel se greffe seulement une chapelle absidale. L'espace intérieur de la basilique se caractérise donc par une certaine austérité et monochromie qu'altèrent à peine le dallage de marbre noir et blanc et le mobilier d'esprit néoclassique.
Seul le massif occidental de la Basilique Saint-Gervais et Saint-Protais apporte une touche de fantaisie toute relative. Réalisé dans un style néo-renaissant, il apparaît fortement marqué par l'église de la Trinité édifiée par Théodore Ballu à Paris. Là encore, le matériau utilisé, le granit, confère à l'ensemble une certaine noblesse et gravité. Haut de 74 mètres, le clocher, terminé par un étage octogonal que coiffe un dôme à lanternon, accueille un carillon de trente-deux cloches inauguré en 1900. Il est électrifié complètement dans les années 1980 par la maison Biard-Roy de Villedieu-les-Poêles. Dans le clocher, entre Adrienne-Aline (2 tonnes) et Françoise-Sidonie (1,5 tonne), figure la cloche dite des Agonisants (850 kg) provenant de l'horloge de la cathédrale Saint-André. Fondue en 1446 sous l'épiscopat de Martin Pinard, évêque d'Avranches, pendant l'occupation anglaise, elle est donnée en 1795 à l'église Saint-Saturnin, après l'effondrement de la cathédrale.
L’église conserve sur son côté droit un bas-relief en calcaire du XIVe siècle divisé en trois compartiments, représentant le « Massacre des Innocents », « la Fuite en Égypte », et un roi à genoux accompagné de deux chevaliers... A l'intérieur, la nef est composée d'une colonnade qui reçoit un entablement accueillant la voûte à pénétration. Une série d’objet religieux est conservée dans une salle de l’église, c’est le trésor de la Basilique Saint-Gervais. La révolution française dispersa les richesses accumulées au fil des siècles par le clergé. Les reliquaires et vases sacrés furent fondus, les reliques détruites et la statuaire éparpillée.
Au commencement du XIXe siècle, avec le retour du culte, les paroisses se dotèrent de nouvelles richesses mais, en 1904, lors de la séparation de l’Église et de l’État, celles-ci furent à nouveau confisquées. À Avranches, le clergé local prit une initiative originale en créant un petit musée paroissial qui allait devenir le trésor de la basilique Saint-Gervais. Prospère Cornille, né à Courtils en 1864, devint Archiprêtre de Saint-Gervais en 1911 et fut le véritable artisan de cette entreprise. Entre 1913 et 1933, ce prêtre passionné rassembla dans une salle au sud du clocher-porche une multitude d’objets, parfois hétéroclites, au côté des pièces d’orfèvrerie liturgique confiées à la ville et n’étant plus indispensable au culte. Rapidement, cette collection devint une référence pour les amateurs d’antiquités et le père Cornille, faisant figure de connaisseur, avisé et habile à réunir bien des objets anciens ou précieux, n’hésitait pas à ouvrir les portes de son antre et à en proposer la visite minutieuse vitrine par vitrine.
Parmi les éléments patrimoniaux remarquables contenus dans l’église, le Trésor présente la relique de l’évêque Aubert qui, au VIIIe siècle, fonda le Mont-Saint-Michel. Par suite de l'effondrement de la cathédrale Saint-André en avril 1794, la basilique conserve cet important trésor. Ce crâne humain, qui, selon la légende, porte la trace du doigt de l’Archange, est à la fois une curiosité, mais aussi un témoignage important du culte de Saint Michel depuis le haut Moyen Âge.