L’église orientée a un plan allongé, elle est composée d'une nef à trois vaisseaux et quatre travées. Le chœur a deux collatéraux et trois travées et . Le plan se termine par un chevet semi-circulaire.
La façade occidentale est une tour-clocher qui s’élève sur trois niveaux d’élévation et qui est encadrée par deux contreforts. Le premier est percé d’une arcade en arc brisé elle-même percé d’une petite baie rectangulaire ; cette arcade était l’ancien portail d’entrée de l’église. Le deuxième niveau est percé d’une petite rectangulaire et le troisième de deux grandes baies sculptées. Sur la partie sud, le collatéral est percé d’une baie sculptée en arc brisé et d’un oculus qui est au-dessus de la baie. Le mur gouttereau sud est divisé en sept travées. La première travée correspond à la tour-clocher qui est sur trois niveau d’élévation : une baie en arc brisé, puis un mur aveugle où se trouvait avant une horloge, enfin deux grandes baies sculptées qui sont surmontées d’une petite horloge et d’un automate représentant un soldat romain. Les quatre travées suivantes sont celle de la nef, elles sont percées de grandes baies sculptées en arc brisé. La troisième travée est composée d’un portail qui est l’entrée principale de l’église. Les deux dernières travées sont celles du chevet et sont composées de deux grandes baies en plein cintre. Le chevet s’élève sur deux niveaux d’élévation ; les deux niveaux sont percés de baies en plein cintre. Le chevet semi-circulaire est percé de baies en plein cintre
La nef centrale s’élève sur deux niveaux d’élévation : le premier se compose de grandes arcades en arc brisé et le deuxième de fenêtres hautes. La nef est voûtée d’un berceau brisé. Les collatéraux sont en voûtes sur croisées d’ogives quadripartites, tout comme le chœur et ses deux collatéraux. L’abside semi-circulaire est en voûte à croisée d'ogives. Le toit de la nef est en bâtière, celui de la nef est en croupe et celui de la tour-clocher est en pavillon.
L'église originelle, dont il reste quelques vestiges, daterait du XIe siècle. Au début du XIIIe siècle, une nouvelle église est construite (il en reste les trois piliers séparant la nef du bas-côté sud). Les murs extérieurs et la tour datent du XVe siècle. Vers le milieu du XVIe, on bâtit les voûtes du bas-côté du chœur. Les parties hautes du chœur et l'abside sont reconstruits vers la fin du XVIe siècle. Le portail est quant à lui construit au XVIIe siècle. En partie détruite durant la Seconde Guerre mondiale, elle est reconstruite entre 1951 et 1971.
Des cinq églises que possédait la ville avant la Révolution (Saint-Aubin, Saint-Léonard, Saint-Martin, Notre-Dame-de-Vieilles), il ne subsiste que l'église Saint-Nicolas. A partir de 1791, l'église fut détournée de sa destination religieuse et devint un édifice public. Elle fut rendue au culte à la fin de l'année 1802. A la fin du XIXe siècle, des travaux de restaurations furent entrepris. Vers 1902, on abattit les maisons qui étaient adossées à l'église. Entre 1904 et 1905, on édifia, sous la direction de M. Gossart, architecte des Monuments historiques, un mur de soutènement avec un escalier donnant accès au parvis. De par sa proximité d'un camp d'aviation, l'église souffrit considérablement de bombardements aériens durant la Seconde Guerre mondiale. L'église abrite de remarquables vitraux du XVIe siècle ainsi que des vitraux modernes de Max Ingrand dans le chœur et de Michel Durand sur le mur méridional. Un des particularité de l'église est son Regulus, un soldat romain sonnant toutes les heures depuis 1826. Il est l’oeuvre de M. Martin. L’automate a été restauré en 1896 par l’horloger Gourdin de Mayet, puis plus récemment par la société Bodet de Trémentines.