Franchissant ce porche, on pénètre dans une nef d’inspiration gothique de six travées sur croisées d’ogives. Les arcs des travées sont surmontés d’un triforium (galerie supérieure). La sculpture des chapiteaux est l’œuvre du sculpteur Mathieu Gautheron. Les bas-côtés, ouvrant de chaque côté sur six chapelles, et les cinq chapelles rayonnantes du chœur, ont été décorés par les grands artistes du temps comme les peintres-décorateurs Jean-Baptiste Beuchot, Édouard Krug, Victor Bussière, et par le maître-verrier parisien Édouard Didron (1836-1902).
L’intérieur de l’église renferme de belles œuvres des XVIIe et XVIIIe siècles en particulier le tableau de style baroque de Jean-François de Troy (1732), Vincent de Paul prêchant devant Pierre-Emmanuel de Gondi, général des galères du roi. Le chœur est orné par un orgue au buffet néo-gothique, classé aux Monuments historiques, réalisé par le célèbre facteur parisien Aristide Cavaillé-Coll en 1866 et par le mobilier liturgique contemporain du sculpteur d’art sacré Philippe Kaeppelin (1987).
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