L’église orientée est située dans un cimetière au centre de la ville. Elle est construite selon un plan allongé auquel sont ajoutés trois bâtiments annexes sur la façade méridionale. L’église possède un seul vaisseau, trois travées pour la nef, une pour la tour-clocher et une pour le choeur. L’église se termine par un chevet plat. Dans la partie basse de la façade orientale est accolée une chapelle extérieure couverte à l'impériale abritant une pièta.
La façade principale en mur pignon possède deux niveaux et est épaulée de contreforts angulaires. Elle est percée d’un portail dont le tympan adopte la forme d’un arc brisé, surmonté de moulures au sommet desquelles se trouve un ornement cruciforme. Le deuxième niveau est percé d’un oculus ajouré et vitré, couronné par le même motif cruciforme. La tour-clocher est située dans la partie orientale de l’édifice. De section carrée, couverte en pavillon, elle s’élève sur trois niveaux. Elle est percée de baies jumelées surmontées d'un oculus en arc brisé munies d’abats-sons. La toiture est percée elle aussi de petites baies en saillie munies d’abats-sons. Un décor de bandes lombardes court le long de la corniche de la tour. L’ensemble est couvert d’une toiture à double pente. Seuls certains bâtiments annexes sont couverts en appentis. Les percements sont constitués de baies en arc brisé à remplage flamboyant. Le chevet est percé de deux baies étroites cintrées. Plusieurs contreforts viennent épauler la nef, le choeur et le chevet.
L’intérieur s’élève sur un seul niveau composé de grandes baies situées à des hauteurs variables. La nef est couverte par une voûte lambrissée, appuyée sur une corniche en saillie, à laquelle est accrochée une poutre de gloire et son crucifix. Deux autels et retables à dais sont situés de part et d’autre de l’entrée de la tour-clocher. Le couvrement de la tour-clocher se distingue par sa voûte d’ogives appuyée sur des chapiteaux bas à forme végétale.
Le mur nord de la nef est datable du IXe ou du Xe siècle. La nef a été agrandie vers l'ouest au XIIe siècle. Le choeur, la tour-clocher et les chapiteaux datent du XIIIe siècle. La chapelle sud du choeur a été édifiée au XIVe siècle. Le lambris de couvrement de la nef a été installé au XVIe siècle. Les baies ont été remaniées au XIXe siècle (1887). La façade occidentale a été refaite en 1903 par l'architecte rouennais Chevalier.
L'église Notre-Dame de Pîtres est considérée comme étant le lieu de réunion des assemblées dans lesquelles Charles le Chauve (r.840-877) fit promulguer ses édits de 861, 864 et 869. Source : Site de la ville de Pîtres (ville2pitres.free.fr).