L'édifice actuel est doté d'un choeur du XIIIème siècle avec une abside semi-circulaire bâtie sur un édifice pré-roman voire carolingien. Ces vestiges ont été repérés sous le rond-point du choeur en février 1984. Les bases des piliers de la nef datent du XIIème siècle, . Le porche, adossé à la façade occidentale, a été construit à une période ultérieure.
L'élévation intérieure de la nef est constituée de grandes arcades et de fenêtres hautes. Les piliers rectangulaires, flanqués de colonnes engagées surmontées de chapiteaux à feuillage, supportent les nervures de voûtes épaisses plus anciennes. Si le couvrement de la nef et sa charpente ont été modifés après la Guerre de Cent Ans, le haut vaisseau est toujours contrebuté à l'extérieur par les arcs-boutants d'origine.
Le choeur est composé d'un sanctuaire en hémicycle à cinq travées entouré par un déambulatoire. Les trois ouvertures (piscines) pratiquées dans les murs indiquent que des autels étaient placés dans le déambulatoire. L'élévation du choeur est divisée en trois niveaux: grandes arcades, triforium et fenêtres hautes. Les piles adoptent une forme octogonale et comportent des chapiteaux qui pourraient être du XVIIIème siècle (*).
Une horloge monumentale avait été commandée dans les années 1670/1680, ayant un cadran doré sur un champ d'azur. Une autre horloge fut installée vers 1850, offerte par l'un des descendants de Abraham-Louis Bréguet (fondateur de la marque d'horlogerie), à l'occasion du mariage de sa fille.
* Le texte ci-dessus est, dans sa majorité, un extrait d'une brochure intitulée "Eglise classée de Champcueil - Histoire d'une restauration", publiée par le conseil général de l'Essonne, co-réalisée par la direction de la culture et Stéphane Berhault (architecte).