La construction a commencé au XIe siècle. Il subsiste de cette époque la nef romane, amputée de ses cinq premières travées à la suite d'un incendie en . Le transept, construit au XIIe siècle, est particulièrement remarquable : sa croisée s'inspire de constructions contemporaines du sud-ouest de la France ; le chevet date quant à lui du dernier tiers du XIIIe siècle. Il s'inscrit dans la lignée des constructions très unifiées et rigoureuses de l'architecture gothique rayonnante de l'Île-de-France. Enfin, le clocher est issu d'une campagne de construction postérieure à celle du chevet, et qui visait à créer une façade monumentale. Ce projet étant resté inachevé, il n'en subsiste que le clocher, qui a été séparé de l'église lors de l'incendie de . À cet ensemble a été ajoutée, sur le flanc nord du chevet, une chapelle construite vers le milieu du XVe siècle pour le duc François Ier de Bretagne.
L'église est classée au titre des monuments historiques par la liste de 1862 ; le clocher est classé à son tour en .
L'église abrite plusieurs objets protégés au titre des monuments historiques, notamment le tombeau du duc François Ier de Bretagne, ainsi qu'un retable monumental baroque dans le chœur, autour du maître-autel. Elle dispose de deux orgues, le grand-orgue et l'orgue de chœur.
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