L'église Sainte-Ségolène, située sur la colline Sainte-Croix, est l'un de ces nombreux édifices remaniés au fil du temps.
Plusieurs édifices se sont succédé à l’emplacement de l’église actuelle. Une première chapelle est construite entre 800 et 830 dans le quartier d’Aiest habité par de très nombreux vignerons. Une mention de l’église figure de nouveau en 912, dans un cartulaire de l’abbaye de Gorze. Le culte de Sainte Ségolène, une albigeoise ayant vécu au VIIe siècle, arrive très tôt en Lorraine.
Elle est reconstruite vers 1230-1240 dans le style gothique. De l'ancienne église, elle conserve la crypte du Xe siècle, située sous le chœur. Datée des environs de 950, celle-ci figure parmi les plus anciennes de Lorraine. Afin d'accueillir tous les habitants du quartier, l'église du XIIIe siècle est édifiée dans des dimensions impressionnantes. Un premier porche, lui aussi de style gothique, est érigé au XVe siècle.
Mais l'église est fortement remodelée au XIXe siècle, elle est construite en pierre de Jaumont. En 1855, des vitraux réalisés par Laurent-Charles Maréchal, représentant des saints et des saintes, sont installés dans le chœur. L'édifice conserve cependant plusieurs vitraux des époques précédentes, notamment une Crucifixion datée de 1160-1180 environ, ce qui fait d'elle le plus ancien vitrail de Lorraine. Jésus y est représenté accompagné de la Vierge et de saint Jean l'Évangéliste. On peut également admirer, entre autres, une Annonciation du XVe siècle et une Vierge à l'Enfant du XVIe siècle.
Les modifications les plus importantes sont réalisées entre 1896 et 1898 par l'architecte allemand Conrad Wahn. Il détruit le portail et l'ancien clocher et crée un portail néogothique très décoré surmonté de deux clochers rigoureusement symétriques. Il en fait réaliser les sculptures par le Français Auguste Dujardin, auquel il fait également appel pour la façade de la cathédrale. Les tympans de l'église Sainte-Ségolène représentent tous des événements de la vie de la sainte.
C'est ce portail que l'on peut aujourd'hui admirer à l'entrée de l'église. La porte en bronze est créée par le nancéien Eugène Vallin en 1903. Conrad Wahn allonge également la nef de deux travées, ce qui augmente encore plus les dimensions de l'église. Par chance, il ne modifie pas le reste de l'édifice, qui correspond toujours à celui du XIIIe siècle. La décoration de l'époque est toujours visible, et l'on peut notamment admirer de magnifiques peintures murales réalisées au cours du Moyen Âge. Une mosaïque, qui représente l'Annonciation, est ajoutée au XIXe siècle sous le parapet de la tribune d'orgue.
L'église Sainte-Ségolène a donc été fortement remaniée, mais elle conserve toute sa cohérence. Les parties médiévales de la nef et le chœur de l'église sont représentatives de l'art gothique de la première moitié du XIIIe siècle.
La place Jeanne d'Arc, qui fait face à l'église, a été créée en 1905 afin de dégager son parvis.