L’église orientée, située sur une place, possède un plan en croix latine à cinq vaisseaux avec un transept peu saillant. La nef est scandée par sept travées avec doubles collatéraux. L'Église Notre-Dame de Louviers est suivie par un transept à croisillons de deux travées, et un choeur court d’une travée terminé par un chevet plat. Elle est construite en calcaire. La Tour Beffroi construite vers 1414 comme tour des cloches avec une architecture militaire est adossée à l'édifice primitif. La chapelle de Challenge au pied de la tour a été financée par le bailli de l’archevêque.
Pénétrez dans l’univers spirituel de l’église par son luxuriant portail royal, côté sud datant du XVIe siècle, exemples les plus remarquables de l’architecture gothique flamboyante en France. Il faillit disparaître en 1940 quand une bombe explosa à quelques mètres seulement. Le Portail Royal, atteste de la prospérité de la ville de Louviers etaitentrée des grandes cérémonies, où l’on proclamait les actes officiels et prenait les décisions communales. Ce Portail est comparable à celui de la cathédrale d’Albi.
Le terme gothique est à l’origine péjoratif. Il est utilisé par les artistes de la Renaissance italienne pour caractériser l’art du Moyen Âge qu’ils estiment aussi barbares que les Goths. Par extension, le terme désigne le style qui se répand en Europe du XIIe siècle au début du XVIe siècle. L’art gothique est caractérisé par deux nouveautés principales permettant d’augmenter la hauteur des églises. La croisée d’ogives qui reporte le poids de la voûte vers des piliers et permet d’évider les murs. Ces derniers peuvent ainsi être percés de fenêtres ou décorés de vitraux. Les arcs-boutants et les contreforts qui canalisent les poussées vers l’extérieur de l’église. Ils évitent l’écartement des piliers.
A la fin du XVe siècle, le gothique devient flamboyant, en multipliant les nervures et les clés de voûte sculptées. Des formes de flammes apparaissent dans les décors notamment des tympans. L’église de Louviers en est un bon témoignage. En Occident, les églises ont un plan en croix latine qui symbolise la Passion du Christ. Elles sont orientées vers l’Est (Vers le Levant, où le soleil se lève, commencement du monde et où se trouve Jérusalem).
La façade principale de l'Église Notre-Dame de Louviers, à l’ouest, est percée d’un portail à deux portes séparées par un trumeau recevant la statue de Notre-Dame de la Délivrance. La façade est percée au deuxième niveau d’une grande baie polylobée à lancettes et épaulée de contreforts angulaires. L’entrée est flanquée des bas-côtés de la nef de part et d’autre, soutenus par des arcs-boutants. A gauche une haute tour s’élève, rythmée par des baies en arc brisé sur deux niveaux et des contreforts sur toute la hauteur, percée de baies munies d’abats-sons, qui accueille des cadrans d’horloge. Chaque bas-côté est percé d’un portail. Le portail nord est composé d’une large porte en anse de panier avec un tympan ajouré surmonté d’un gâble flamboyant. Le portail sud est constitué d’un porche en saillie avec un gâble ajouré s’appuyant sur des clochetons ornés en partie basse de statues sacrées.
Succombez au charme de la nef parée de ses couleurs du début du XVIe siècle, décorée de chapiteaux et de statues. Le vaisseau central de la nef prévu à la fin du XIIe siècle devait donc être moins élevé que la voûte actuelle. La tour du chœur est construite après 1240. À une date inconnue, on décide de surélever la nef de 2,60 m au-dessus du niveau initialement prévu en réalisant le voûtement d'ouest en est. Cela a conduit l'architecte à rehausser les appuis des arcs-boutants sur les murs gouttereaux pour reprendre la poussée des voûtes à leur nouveau niveau de poussée. Cet ordre d'avancement peut se lire sur la forme des fenêtres hautes. Leur style remonte au début du XIIIe siècle dans les deux premières travées occidentales, tandis que les fenêtres côté est ont un style plus tardif. La fin de la construction de la voûte du vaisseau central de la nef doit remonter à la fin du XIIIe siècle.
La nef s’élève sur trois niveaux constitués de grandes arcades soutenues par des colonnes à chapiteaux, d’un triforium orné de baies carrées coupées par une colonne, et de hautes baies à lancettes en tiers-point et oculus. La nef et les bas-côtés sont couverts de voûtes d’ogives tandis que la croisée du transept se développe sur huit nervures avec liernes et tiercerons. La croisée du transept est surmontée d'une tour lanterne autrefois couronnée d'une flèche. Cette grande flèche s’effondra en 1702 lors d’un ouragan et n’a pas été reconstruite. La nef, prolongée par un chœur à chevet plat percé de trois fenêtres restituées au XIXe siècle est surmontée par une voûte d'ogive rehaussée au XVe siècle afin de faciliter le percement de grandes baies.
Les églises gothiques présentent des décors abondants. On parle de Bible de pierre pour les décors sculptés et de Bible de verre pour les vitraux. Ces décors ont un objectif pédagogique et moralisant. Ils enseignent l’histoire sainte à des fidèles en grande partie illettrés. Les éléments sculptés se situent sur les chapiteaux : pierre taillée et sculptée surmontant le fût d’une colonne ou d’un pilier. Ils prennent la forme de statues sur la façade, les piédroits et les voussures des portails, à l’intérieur de l’église ou les gargouilles : ouvrages sculptés d’évacuation des eaux de pluie des toitures. De bas-reliefs : sculptures se détachant faiblement sur une façade, une paroi.
Du début du XIIIe siècle, on peut remarquer les têtes profanes à la retombée des colonnettes de voûtes qui ornent la nef depuis l’origine et le faux triforium parmi les plus originaux de la Normandie. Les statues en pierre du XVIe siècle qui ornent la nef, au-dessus des chapiteaux, proviennent de la chartreuse de Gaillon. Le décor reprend le style de la cathédrale de Rouen avec des larmiers encadrant des fenêtres trilobées placées dans l'axe de chaque travée. On constate que sous le larmier au-dessus du second niveau, les chapiteaux ont été bûchés. Ces chapiteaux devaient porter les grandes voûtes de la nef prévues par le premier architecte.
Contre la façade occidentale de l'Église Notre-Dame de Louviers, vient se loger, dans une niche, une mise au tombeau du XVIe siècle. Le Christ est tenu à la tête et aux pieds par 2 personnages tandis que 5 femmes se tiennent sur le côté. Le collatéral sud abrite, dans un enfeu, le gisant du XVe siècle de Robert d'Acquigny, conseiller au parlement de Paris et doyen de Saint-Omer. La statue de Saint-Roch, saint patron des tisserands, a retrouvé sa place dans l'église Notre-Dame de Louviers. « Il est né à Montpellier autour de 1345 et 1350. Il a fait de longues études à la faculté de médecine. Très jeune, il décida de partir pour Rome. Il distribua la moitié de sa fortune aux pauvres. Après avoir recouvré la santé suite à la contraction de la peste, il retourna auprès des pestiférés pour les soulager de leur maladie. » Le peintre Jean Nicolle est l'auteur de deux toiles : l'Adoration des Bergers et l'Adoration des Mages qui décorent le chœur.
L'Église Notre-Dame de Louviers possède également une remarquable série de onze verrières réalisées entre 1490 et 1530, témoignant de l'opulence de la ville à cette époque. Les plus grands peintres-verriers d'alors ont participé à leur réalisation : Arnoult de Nimègue, Engrand et Nicolas Leprince de Beauvais. Louviers ayant accueilli le parlement de Normandie pendant le sac de Rouen par les protestants en 1562, les vitraux n'ont pas eu à souffrir des guerres de religion. Les effets du temps et des caprices climatiques ont eu raison de certaines verrières. La tempête du 3 septembre 1841 détruisit les vitraux des baies 9 et 10. Des regroupements des parties basses anciennes sont faits en 1836. Le peintre-verrier Maurice Muraire restaure, complète et modifie les verrières entre 1902 et 1904. Les parties refaites se remarquent car elles ont mal résisté au temps. La moitié des vitraux de l’église sont du XVIe siècle, période faste de l’histoire des arts en Normandie. On retrouve à Louviers le travail des meilleurs peintres verriers et ateliers du XVIe siècle. Les vitraux des fenêtres hautes dans la nef ont été réalisés en 1987 par Gérard Lardeur et rappellent la structure des tissus de Louviers.
L’église Notre-Dame de Louviers a connu de nombreuses campagnes de restauration et en connaîtra encore. En effet, ses agrandissements successifs ont entraîné de grands déséquilibres de sa structure. Les derniers travaux (2002-2012) ont été menés contre les infiltrations et l’instabilité de l’église. La toiture et la charpente ont été refaites à neuf, tandis que des étais transversaux et des tirants ont été installés. Les sculptures de la façade ont été restaurées au XIXe siècle.
À la fin du XVe et au début du XVIe siècle, l’église s’agrandit grâce aux richesses de la draperie et la façade devient dentelle de pierre. 