L'église atteint les dimensions d'une petite cathédrale, avec ses 78 mètres de long, ses 27 mètres de hauteur sous voûtes, et ses 24 mètres de largeur. Constituant l'un des derniers fleurons du gothique en Val de Loire, elle est néanmoins d'une étonnante sobriété, à l'image du caractère ombrageux de Louis XI. Le portail occidental comprend trois portes peu décorées. Les murs latéraux sont étayés par une série de contreforts, et le chevet dessine une belle abside.

La nef a sept travées et deux collatéraux. Trois chapelles s'ouvrent sur son flanc méridional. La chapelle Saint-Jacques (XVIe siècle) richement ornée et pourvue de voûtes à liernes et tiercerons, comporte dans un enfeu la sépulture de Gilles de Pontbriand, ancien doyen du chapitre de Cléry. La chapelle Longueville abrite la nécropole de la dynastie des Dunois. Le bâtard d'Orléans y repose depuis 1468, et y fut rejoint par son épouse et certains de ses enfants. C'est dans une petite crypte rectangulaire creusée dans la nef (dernière arcade avant le transept), que reposent dans de grands sarcophages en pierre les restes de Louis XI et de Charlotte de Savoie. Une litre noire court sur tout son pourtour. Le cœur de Charles VIII a pour sa part été déposé sous le dernier pilier sud de la nef.

Les deux bras du transept sont relativement peu saillants. Le chœur est cerné d'un déambulatoire. Au centre trône sur un autel la petite Vierge polychrome (probablement une copie de l'originale datant du XVIe siècle) tant vénérée. On accède à la sacristie par une porte percée dans le mur méridional du déambulatoire. Dès boiseries du XVIIIe siècle cachent l'accès par lequel Louis XI pénétrait dans le sanctuaire. Un escalier à noyau évidé emmène vers son oratoire privé. Il s'agit d'une petite pièce carrée, chauffée par une belle cheminée et possédant une petite lucarne ouvrant sur le chœur. C'est depuis cet endroit que le Valois assistait à la messe.