La nef de la chapelle des Carmélites frappe par sa très grande simplicité architecturale qui contraste fortement avec la somptuosité de ses décors intérieurs. La première pierre est posée en 1622 en présence du roi Louis XIII et l'édification est terminée en 1643. Elle est le seul vestige du couvent des Carmélites qui occupait l’emplacement sur lequel s’élève aujourd’hui la Bibliothèque d’Étude et du Patrimoine. La chapelle s’inscrit dans la tradition du gothique méridional : une nef unique divisée en quatre travées et une abside à trois pans. La chapelle est couverte d'une voûte en bois soulignée de nervures et de clés pendantes. Le décor peint de l'ensemble de la voûte et des murs, daté des XVIIe et XVIIIe siècles, est remarquable. Ce décor, vaste poème à la gloire du Carmel, est l’œuvre de Jean-Pierre Rivalz, qui s'inspire du programme de la chapelle Sixtine puis de Jean-Baptiste Despax.