La construction de l’édifice se poursuivit durant les siècles suivants et l’on peut dater son achèvement du XVI ème siècle (1560).
A l’intérieur, elle conserve un grand nombre d’œuvres d’art classées : statues, tableaux et peintures murales dont celles qui évoquent la confrérie de la charité, instituée à Vétheuil par une bulle papale de 1583. Elle accueillait des foules de pèlerins venant prier Notre Dame de Grâce. Ce fort bel édifice, classé monument historique depuis 1845, est un exemple de transition entre l’art roman et le style ogival.

" L’église de Vétheuil, magnifique monument de l’art le plus pur de la renaissance s’élève à mi-côte et domine le rivage où se regroupent les habitations: on dirait un paysage de Poussin ".

M. Feuilloley poursuit dans sa notice sur le canton de Magny en donnant la description suivante de l’église : " Henri II roi d’Angleterre, duc de Normandie, de Bretagne et d’Aquitaine, à l’époque où il possédait le Vexin français voulut faire reconstruire l’église de Vétheuil, bourg alors fort important, mais le chœur seul était achevé quand Philippe-Auguste lui enleva le Vexin. Cette construction serait peut-être restée inachevée si François 1er qui passait souvent par Vétheuil en allant à La Roche Guyon, chez le duc François de La Rochefoucauld, son parrain, n’eût ordonné la reprise des travaux. Le monument composé de 3 nefs avec des chapelles latérales n’a que 45 mètres de long sur 22 de larges et 14 de hauteur dans la nef principale mais il semble avoir les dimensions d’une cathédrale, tant il y a de proportion entre toutes les parties et d’harmonie dans l’ensemble.
Les ornements y sont prodigués et cependant l’œil le plus exercé n’y voit point de profusion, tant chaque chose est à la place que lui assignent l’art et le goût.
Le portail principal qui a pour date le chiffre de Henri II et de Catherine de Médicis est un cintre très ornementé surmonté de galeries et de clochetons et de guipures en pierres ; il est séparé en deux par un trumeau qui supporte la statue de la Vierge, patronne de l’église.
Le second portail couronné d’une triple galerie et de clochetons est aussi un chef d’œuvre d’élégance. Arrêtons-nous devant ces portes sculptées : dieu le père, Moïse, Elie, Adam et Eve, Abraham, la sainte Vierge, l’ancien et le nouveau testament, puis des personnages symboliques
A l’intérieur ce n’était que statue, ces encorbellements, ces baldaquins, ces diadèmes de pierres supportaient ou couronnaient des grands du ciel et de la terre : les 12 apôtres, les rois et reines, les princes et les princesses bienfaiteurs de l’église. Tous ont disparus, victimes des passions politiques et religieuses dont le monument présente encore d’autres vestiges, car voici des meurtrières percées du temps de la Ligue, voici des traces de boulets tirés de Lavacourt De toutes les merveilles qui décoraient le chœur et les chapelles, une seule a échappé aux barbares, c’est un retable en bois doré d’un puissant relief représentant la passion."
Malheureusement si ce retable échappa aux barbares d’alors, il fut dérobé dans les années 1970, par des cambrioleurs qui étaient également des barbares. Deux des sept pièces ont été retrouvées en Belgique en 1998 et 2007, la première a été rachetée par la commune ! Voir l’article sur le retable
Le clocher bâti vers 1350 par Jeanne d’Evreux, femme de Charles IV le Bel a une hauteur de 42 mètres dont 8 mètres de charpente formant la pyramide du clocher surmonté de la croix.
Le chœur construit par Henri II vers 1180 est orné de stalles en bois de chêne. Très large et très élevé, il est voûté en pierres et en chapiteaux. Il a 9 mètres de long sur 9 mètres de large. Le sanctuaire à 6,50 mètres de long et 9 de large. Le chœur a été entièrement restauré en 2000.
La sacristie a été construite vers 1533, comme l’indique une gravure dans la pierre, à l’époque du mariage d’Henri II. Chaque chapelle dédiée à un saint était entretenue par les membres de sa confrérie comme celle de Saint Vincent, patron des vignerons, qui comptait 104 membres en 1900.
C’est en 1845 que l’église fut classée monument historique. Les escaliers sont eux inscrits à l’inventaire supplémentaire.