Construite au XIIe siècle sur le site d’une chapelle dédiée à Saint-Christophe, l’église doit sa notoriété au miracle de la pluie.
Dix-sept vitraux de l’église relatent ce miracle ainsi que des pèlerinages et d’autres miracles, vitraux réalisés par les ateliers Charles Champigneulle.

Le plus connu d’entre eux relate la statue de la Vierge pleurant au cours d’une longue période de sécheresse, le 14 mai 1336. Ceci provoque des pluies sauvant les récoltes des cultivateurs de la Plaine des Vertus qui nourrissent Paris. La statue profanée pendant la Révolution française finit brulée.

A partir du XVe siècle, l’église, qui s’agrandit, devient un lieu de pèlerinage très prisé de la grande noblesse et de la royauté. S’y succèdent François 1er, Louis XI et Louis XIII, à qui l’on doit la façade édifiée en 1628 dans le style jésuite.

Conçu selon un plan rectangulaire, l’édifice comprend une nef et deux collatéraux, avec une clef de voûte pendante représentant la Vierge à l’enfant. La tour carrée de trente mètres date de 1541.
Classée monument historique, l’église Notre-Dame-des-Vertus abrite le seul orgue du début du XVIIe encore en service en Ile-de-France.