Les dispositions primitives du monument funéraire de Mathilde de Flandres ne sont pas précisément connues. Ordéric Vital, moine de Saint-Evroult, en donne une description sommaire dans son Historiae ecclesiasticae révélant que la reine a été inhumée inter chorum et altare (entre le chœur et l'autel), comme le sera plus tard son époux Guillaume le Conquérant dans l'église abbatiale Saint-Etienne, et qu'à sa mémoire a été érigé "un tombeau admirable, orné d'or et de pierreries" (« Memoriale ejus super ipsam ex auro et gemmis mirifice constructum est, et epitaphium hujusmodi litteris aureis comiter exaratum est ») sur lequel était gravée une longue épitaphe en lettres d'or. Celle-ci orne toujours la dalle en marbre noir de Tournai, seul élément subsistant du tombeau royal. Gravée transversalement et sur son pourtour, l'épitaphe métrique latine en vers léonins rappelle l'illustre ascendance de la reine, dont la mère était fille de Robert le Pieux (ca. 972 - 1031), mais aussi ses vertus, sa piété et sa générosité envers les pauvres et l'abbaye qu'elle a fondée avec son époux, Guillaume. Le choix du couple du ducal de se faire inhumer à Caen au sein de leur fondation respective - les églises abbatiales de la Trinité et Saint-Etienne - rompt avec la tradition familiale, celle de se faire inhumer à l'abbaye de la Trinité de Fécamp devenue la nécropole dynastique dès la 1ère moitié du 11e siècle.

L'historiographie relate inlassablement les actes de vandalisme et de pillage successifs perpétrés sur le tombeau de la reine Mathilde. Au commencement des guerres de religion, en 1562, le monument subit des dommages conséquents, entraînant la destruction du tombeau et de la statue qui le recouvrait mais laissant intacte la dalle funéraire. Charles de Bourgueville relate cet épisode dans ses Recherches et antiquitez de la province de Neustrie en donnant d'autres informations sur la configuration du monument : "Si je voulois descrire et referer par le menu les choses exquises qui furent desmolies, brisées et bruslées aux susdicts Temples [...] les deux singuliers et magnifiques sépulchres du Roi Duc Guillaume, et de la Royne et Duchesse Matilde, qui estoyent hauts eslevées aux chœurs des Eglises des deux Abbayes de Religieux et Religieuses, leurs effigies et représentation au vif, et taillées en bosse, selon le naturel, furent par ces furieux abattus et desmolis, sans avoir regard, ni respect à leurs dignités Royalles et Ducalles, ni à l’antiquité de cinq cents ans qu’ils y avoyent esté bastis et posés". Bien qu'Ordéric Vital ne l'évoque pas, cette effigie royale, sculptée en ronde bosse d'après nature, a pu être mise en place quelques années ou décennies plus tard, au décès de son époux survenu en 1087 ou au siècle suivant. Il retranscrit et traduit l'épitaphe de la dalle funéraire, ajoutant la date de 1088 (au lieu de 1083) qui, bien que n'y figurant pas, est reprise dans plusieurs publications du 19e siècle. Si la présence d'officiers de la maison ne put empêcher la destruction du tombeau, elle permit de récupérer "un anneau ou bague d'or, trouvé en l'un des ossements des doigts de ceste grande Royne en laquelle estoit enchassé un précieux & riche saphir [qui] fust présenté à la Dame Abbesse laquelle en fist présent à monseigneur le Connestable, son père, lorsqu'il arriva en ceste ville" le 25 août 1563. Les restes de la dépouille royale connaissent ensuite plusieurs péripéties. A la fin de son gouvernement, l'abbesse Anne de Montmorency (1554-1588) décide de les replacer dans un sarcophage en pierre qui, d'après certains historiographes, aurait été celui d'origine.

En 1707, l'abbesse Gabrielle Françoise de Froulaye de Tessé les rassemble dans une capsula plumbea (boîte en plomb) déposée dans ce même sarcophage, lui-même placé dans un tombeau en élévation construit à cette occasion, non loin du maître-autel. Ce tombeau est connu par une description, qu'en fit Andrew Coltee Ducarel lors de son tour en Normandie en 1752, qu'une gravure de J. Bayly illustre : l'abbesse avait établi ce nouveau tombeau vers le milieu du chœur des religieuses, à la limite orientale de la première travée. Une rangée de pointes de fer entourait la dalle funéraire qui fermait ce tombeau en marbre blanc et noir « de trois pieds de hauteur sur six de longueur ». A la tête de ce monument funéraire étaient sculptées les armoiries ducales, une simple couronne ornant la face opposée. Sur les parties latérales, des inscriptions latines gravées et dorées rappelaient la profanation de la sépulture lors des guerres de Religion et le nom de l'abbesse qui a œuvré à son rétablissement. Cette initiative de l'abbesse Gabrielle Françoise de Froulaye de Tessé, visant à redonner magnificence et dignité à la sépulture de la reine fondatrice de l'abbaye, s'inscrivait dans une campagne de réaménagement liturgique du chœur de l'église assez bien documentée dans les sources. La gravure de Godefroy I Engelmann (1788-1839) pour illustrer la traduction de l’ouvrage de Ducarel par Amédée-Louis Léchaudé d’Anisy en 1823 présente une mise en situation du tombeau plus éloquente. Campé au milieu de la première travée chœur, il repose sur un pavement à cabochons qui sera détruit dans la seconde moitié du 19e siècle.

Le tombeau érigé en 1707 est détruit en 1793, à l'exception encore une fois de la dalle funéraire et du sarcophage en pierre supposé d'origine. Transférée à l'église abbatiale Saint-Etienne grâce à la bienveillance de Pierre-Aimé Lair (1769-1853), la dalle est replacée dans l'église abbatiale en 1819, date à laquelle le préfet du Calvados, Casimir Guyon de Montlivault ordonne l'ouverture dudit sarcophage en pierre, après avoir obtenu l'accord préalable de l'évêque de Bayeux en mars 1818. Le 12 mars 1819, le Dr Dominel procède à l'analyse minutieuse des ossements conservés dans le sarcophage et la boîte en plomb hermétiquement soudée qu'il identifie au squelette quasi complet (contrairement à celui de Guillaume le Conquérant) d'une femme de petite taille, "au-dessous de cinq pieds" (ca. 152 cm). Un procès-verbal (Archives départementales du Calvados, série T) est dressé dont deux expéditions authentiques sont déposées in situ dans deux tubes en verre. La dalle funéraire est ensuite rétablie sur un nouveau tombeau en élévation, réalisé sur le dessein de l'architecte Romain Harou dit Harou-Romain (1796-1866), et que Victor Ruprich-Robert qualifiait à raison de "sarcophage en pierre blanche, d'une forme assez commune" connu par des lithographies illustrant quelques ouvrages comme celui de Joseph et Raoul Douin édité en 1886 dans la Normandie archéologique. Le 26 avril 1820, Harou-Romain dresse un état des travaux exécutés pour un montant de 647,75 F par l'entrepreneur Martin l'aîné. Dépourvu de décor, il portait sur ses faces latérales deux inscriptions gravées et dorées en latin rappelant la démarche de l'abbesse Gabrielle Françoise de Froulaye de Tessé et à l'une des extrémités celle engagée sur ordre du préfet du Calvados "et les soins de Léchaudé d'Anisy [alors directeur du Dépôt de mendicité établi dans l'ancienne abbaye] et Harou-Romain, architecte (inscriptions retranscrites par Théodore de Jolimont). Il semblerait que ce nouveau tombeau n'ait pas été implanté immédiatement dans le chœur mais ait transité un temps dans une autre partie de l'édifice, comme le prouveraient un croquis lithographié par Ballu d'après de Surville en septembre 1821 (Bibliothèque de Caen) ainsi qu'un plan de Victor Ruprich-Robert indiquant le tombeau "dans une chapelle sud du chœur" (non localisé, ce plan est mentionné dans un procès-verbal de Jean Merlet du 24 mars 1960 en vue du réaménagement du chœur, DRAC Normandie) . Au cours des travaux menés par Victor Ruprich-Robert à partir de 1855, le tombeau est réimplanté dans la première travée du chœur, place qu'il conserve jusqu'en 1959, doté d'un nouveau pavement après destruction de celui à cabochons. Deux dessins (Médiathèque du patrimoine et de la photographie) indiquent la dalle funéraire positionnée dans la 2e travée du chœur (croquis non daté) et dans la 1ère (dessin du dallage à l'encre daté du 8 avril 1869).

Suite à la décision de la municipalité de Caen de supprimer le cloisonnement du vaisseau - créé pour réserver le chœur et le transept à la communauté religieuse en charge de l'hospice Saint-Louis établi dans les anciens bâtiments conventuels-, des travaux de réfection du dallage du chœur sont entrepris après dépose des pierres du tombeau. A leur achèvement, la tombe de la reine Mathilde est rouverte le 9 octobre 1959 en présence de Jean-Marie Louvel (1900-1970) maire de Caen, Michel de Boüard (1909-1989) professeur d'histoire à l'université de Caen et de Louis Bourdil (1907-1986) conservateur régional des Bâtiments de France. A cette occasion, il est procédé à la reconnaissance du sarcophage en pierre et de son contenu - coffre en plomb renfermant les ossements supposés de la reine Mathilde, boîte crânienne avec des débris d'herbes aromatiques, linge fin et fragment d'une tête de moine sculptée - qui correspondent au descriptif du procès-verbal de 1819. Il est néanmoins constaté que le coffre a été transpercé par un fer de pioche, sans doute lors des travaux de remplacement du dallage du chœur en 1855. En 1960, l'architecte en chef des monuments historiques Jean Merlet dresse un devis, validé la même année, pour le rétablissement de l'unité intérieure du vaisseau central, le réaménagement liturgique du chœur et du transept. Se pose la question de l'emplacement du tombeau de la reine Mathilde, jugé trop ancré à l'est, qu'il convient de déplacer. Entre 1959 et 1966, l'architecte en chef réalise une série de dessins sur calque du projet (Médiathèque du patrimoine et de la photographie). Une coupe du chœur et de la crypte, datée du 7 janvier 1960, montre que le tombeau en élévation se trouvait avant 1855 dans la première travée du chœur, dont le niveau du sol était plus bas, avant d'être déplacé plus à l'est, à cheval sur les 1ère et 2e travées. Jean Merlet propose de replacer la dalle funéraire à son emplacement supposé d'origine, soit dans la 1ère travée du chœur, sur un tombeau en élévation revêtu de "dalles de pierre dure". A cet égard, l'inspecteur général Yves-Marie Froidevaux préconise, lors de la séance de la délégation permanente de la commission supérieure des monuments historiques du 11 avril 1960, des sondages, afin de préciser la localisation primitive de la dalle. Cette proposition n'est pas retenue pour ne pas perturber davantage la vie de la communauté religieuse. Néanmoins, des fouilles y sont menées l'année suivante sous la direction de l'historien Michel de Boüard (1909-1989). L'analyse archéologique sommaire des séquences stratigraphiques du sol a notamment permis de repérer une couche de déchets de carreaux brisés, vestiges du pavement à cabochons. Les restes de la dépouille royale sont réinhumés sans faste, "dans la plus grande intimité", dans le chœur de l'église le 23 décembre 1964 après avoir été traités au laboratoire anthropologique de Caen et entreposés à la Banque de France. Les travaux de réaménagement du chœur sont inaugurés le 24 juin 1966, année de la célébration du 900e anniversaire de la dédicace de l'église abbatiale de la Trinité (Le Bonhomme libre, 24 juin 1966, n°25).

A la suite de cette campagne, les stalles des 60 sœurs de la communauté religieuse sont redéployées autour du tombeau en élévation repositionné dans la 1ère travée du chœur, précédée d'un nouveau maître-autel érigé à la croisée du transept. Il y subsiste jusqu'en 1995, date à laquelle l'architecte en chef Bruno Decaris repense sa présentation. Le tombeau de 1819 est délaissé au profit de la seule exposition de la dalle funéraire à même le sol de la 1ère travée du chœur de l'église sous un verre protecteur fixé à des plots.

La dalle funéraire constitue aujourd'hui le vestige le plus ancien conservé en France de la tombe d'une reine du 11e siècle.