L’édifice orienté suit un plan allongé avec un chevet polygonal à cinq pans. Elle ne comprend qu’un seul collatéral au sud tandis qu’une tour-clocher flanque le côté nord.
Le mur pignon est constitué de deux niveaux d’élévation. Le premier présente un portail à voussure encadré d’un porche en pierre et flanqué de chaque côté par deux autres entrées cintrées plus petites. Le deuxième niveau d’élévation comprend deux baies cintrées superposées de taille différente. Le mur gouttereau nord est composé au niveau de la nef d’une alternance de quatre contreforts et baies avec arc brisé à décors de lancettes indiquant les 4 travées. Une tour clocher est accolée à la jonction entre la quatrième travée et le chevet. Elle est de base carrée avec un clocher à trois abat-sons surmonté d’une flèche à quatre pans. Le chevet à cinq pans est ouvert sur chacune de ses faces par des baies cintrées étirées. la toiture est à double pans pour la nef et le choeur et à croupe arrondie pour le chevet.
Il y a deux niveaux d’élévation. La voûte de la nef est recouverte d’une charpente à berceau tandis que le collatéral est recouvert d’une voûte d’ogive à clés pendantes. Le choeur et sa chapelle attenante sont couverts d’une fausse voûte d’ogive sur plafond plat avec clés pendantes. Les fenêtres sont traitées dans un style gothique flamboyant.
L'église a été édifiée au XIe siècle et agrandie au XVIe siècle. Elle a survécu à un violent incendie en 1969. La façade romane a été très remaniée au XIXe siècle.
Tillières sur Avre fut érigée en place forte et fut au cœur des luttes de pouvoir entre les Français et les Normands, puis les Anglais. En 2008 un orgue a été ajouté à l'édifice.