Il y eut sans doute près du baptistère (IVe siècle) une église primitive qui reste à découvrir. L’édifice dessiné par Martellange en 1610 n’a de commun avec le bâtiment actuel que son emplacement. Afin d’adapter le lieu à l’accroissement et au goût des fidèles, transformations, voire reconstructions, se sont succédées. En 1667, l’église est totalement remaniée et son orientation inversée.
Au XIXe siècle, elle est rebâtie dans un style néo-gothique, selon les plans de Chenavard. Le XXe siècle lui rajoute une quatrième nef et, enfin, une sacristie. Seules deux travées de l’ancienne église ont été conservées.
Représentant la lapidation de Saint-Etienne, le tympan sculpté par Belloni a remplacé la statue du saint exposée à l’extérieur, côté place.
À l’intérieur, on recense des vitraux remarquables : offert par Louis XII en 1513, le plus ancien représente le martyr de Saint-Sébastien. Outre la belle série datant du XIXe siècle, trois vitraux modernes ont été exécutés dans les années 1950 par le maître verrier belge Hanssen.
La chaire en bois sculpté (1843) représente par ailleurs des moments de la vie du saint patron de la paroisse.
Acheté en 1861, le jeu d’orgue provient de Notre-Dame-de-Paris. Modernisé en 1982, il a été restauré en 2013.