Alphonse Pallu choisit l’architecte Louis-Auguste Boileau et confie la réalisation de l’édifice à l’entrepreneur François Coignet. Le premier conçoit la structure en fer et en fonte. Le second bâtit les murs, les balustrades et le clocher en utilisant le procédé du « béton aggloméré » dont il est l’inventeur. C’est pourquoi l’architecture de l’église du Vésinet, avec son style néo-gothique, sa structure métallique et sa maçonnerie monolithique, est innovante pour son époque.

Commencée en 1862, l’église est consacrée en 1865. De 1898 à 1900 l’architecte Louis Gilbert réalise les deux chapelles, le déambulatoire et la sacristie dont les décors sont confiés à Maurice Denis.

Gravement endommagés par un incendie en 2009, ces décors ont été restaurés en 2012/2013. A cette occasion, le chœur a retrouvé son aspect d’origine.

L’église est classée monument historique en 2016.

Le clocher-porche : entrée principale de l’église, le clocher abrite depuis l’origine trois cloches en acier.

La nef et le chœur : la nef est rythmée par des colonnes qui mènent le regard vers le chœur et l’autel.

Les vitraux : Alphonse Pallu offre les premiers vitraux. Presque tous les autres ont été offerts par des paroissiens et réalisés, en grande partie, par les ateliers Lobin de Tours entre 1865 et 1904. L’ensemble présente une unité remarquable. En 1980, le maître verrier vésigondin, Emmanuel Chauche crée, sur le thème de l’Apocalypse, les trois vitraux du centre du chœur.

L’orgue : au-dessus de la porte principale, l’orgue actuel, construit en 1934 par Victor Gonzalez, a été installé en 1975 et restauré dans les années 2000.

Les tableaux et peintures : 

• « La Vierge, l’Enfant Jésus et sainte Anne », tableau du XVI° siècle restauré en 2015.
• « La Sainte Conversation », restaurée en 2017, copie du XVIII° siècle d’un tableau de Véronèse.
• « L’Incarnation » et « Le Calice de la Rédemption », peintures réalisées par Denys de Solère à l’occasion du Jubilé de l’an 2000.

Les statues : Notre-Dame des Victoires est installée dès l’origine dans la chapelle de la Vierge. Les autres statues (Notre-Dame de Lourdes, saint Joseph, sainte Thérèse de l’Enfant Jésus, saint Antoine de Padoue et le saint Curé d’Ars) sont plus récentes.

Le déambulatoire et les chapelles : Maurice Denis (1870 – 1943) chef de file des Nabis, peintre profondément religieux, grand admirateur de Fra Angelico, veut contribuer au renouveau de l’art religieux. L’abbé Achille Bergonier, curé de la paroisse, sollicite son ami Maurice Denis pour décorer les chapelles et le déambulatoire. Ce dernier réalise les peintures murales, les voûtes en toiles marouflées ainsi que les cartons des vitraux entre 1901 et 1903. Il collabore étroitement avec le maître-verrier Henri Carot pour leur réalisation. Il entend créer une atmosphère favorable au recueillement :

• La chapelle de la Vierge, dans des tonalités bleues, annonce l’Incarnation. Les vitraux évoquent les moments forts de la vie terrestre de la Vierge. Un tableau, sur le mur de gauche, illustre « les Noces de Cana ». La voûte représente l’Assomption de la Vierge entourée d’anges musiciens. Les fonts baptismaux ont été déplacés dans cette chapelle en 1968,
• Le déambulatoire évoque la vie publique du Christ entouré des apôtres. L’artiste représente les quatre Évangélistes avec leurs attributs et les Apôtres sous les traits d’amis et d’artistes qui lui sont proches. De part et d’autre de la sacristie deux vitraux illustrent « la Fontaine de Vie » et « la Vigne symbolique ».
• La chapelle du Sacré-Cœur, dans des tonalités rouge exalte la Rédemption par la Croix et amène les fidèles à la contemplation du Christ glorieux, « le Sacré-Cœur » qui a tant aimé les hommes et les appelle à la conversion. Les traces de l’incendie de 2009 ont été laissées intentionnellement par respect de l’œuvre originale. Les vitraux évoquent les œuvres de miséricorde de Jésus pendant sa vie terrestre et les peintures des tympans, au dessus de l’entrée, l’amour de Jésus pour les hommes. Au centre de la voûte, le Christ entouré d’anges est debout sur son trône, son Sacré-Cœur rayonnant, tel qu’il apparut à sainte Marguerite-Marie Alacoque à Paray-le-Monial en 1675.  Sur la gauche, sont représentés les instruments de la Passion.  Sur la droite, un ange tient un ciboire évoquant l’eucharistie. A la base de la voûte, on retrouve les saints particulièrement attachés au culte du Sacré-Cœur ainsi que les lieux dédiés à ce culte. Sur le mur de droite, un tableau illustre « le coup de lance » infligé par un soldat au Christ en croix. C’est dans le tabernacle surmonté d’une croix et situé au-dessus de l’autel de cette chapelle que sont conservées les hosties consacrées.

• Léon MARET 1865
• François TOUSSAINT 1879
• Charles BOUTROUE 1888
• Achille BERGONIER 1894
• Edouard MONTREAU 1904
• Paul CANTREL 1907
• Eugène AGLON (admin) 1916
• Maurice WEITLAUFE 1919
• Pierre METAYER 1950
• Jean-Baptiste BOROT 1956
• Bernard GROGNET 1969
• Thierry JORDAN 1980
• Guy DROUIN 1984
• Etienne TAUPIN 1989
• Jean-Jacques VILLAINE 1999
• Marc BOULLE 2007
• Nicolas LELEGARD 2015
• Etienne  MAROTEAUX 2019