Au point de vue architectural, l'église Saint-Vincent est basée sur un plan basilical à trois vaisseaux. La partie la plus ancienne de l'édifice est l'abside romane, unique témoignage du sanctuaire originel. Datée du XII siècle, elle est précédée d'une travée droite voûtée en plein cintre et d'un arc triomphal et se termine par un hémicycle voûté en cul de four. Les chapiteaux historiés ont été réalisés au XIX siècle (Daniel dans la fosse aux lions, Adam et Ève) tandis que quelques originaux du XII siècle reprennent des motifs végétaux (grappes de raisin).
La nef fut entièrement reconstruite au XVI siècle. Elle compte trois travées couvertes de croisées d'ogives prismatiques, lesquelles furent refaites au XIX siècle après l'exhaussement du vaisseau. Les clefs de voûte présentent des blasons, dont celui du cardinal Donnet. De grandes arcades ogivales ouvrent sur les bas-côtés qui conservent des baies à remplage flamboyant typiques de la dernière période de l'architecture gothique. Les vitraux qui s'y trouvent ont été dans leur grande majorité réalisés au XIX siècle par le maître-verrier Joseph Villet : ils représentent notamment le martyr de Sainte Catherine et celui de Saint Laurent.
À l'extérieur, la façade intègre un clocher-porche de style néo-gothique réalisé par l'architecte Gustave Alaux. Ses quatre niveaux d'élévation comprennent un porche ogival, une tribune éclairée par un oculus au curieux remplage en spirale, une chambre des cloches comportant quatre baies flamboyantes garnies d'abat-sons et un dernier étage octogonal cantonné de pinacles servant de base à une flèche à crochets.
Parmi le mobilier remarquable que conserve le sanctuaire, notons l'autel Saint-Vincent qui s'élève à l'extrémité du collatéral nord. Cet autel à tabernacle du XVII siècle en bois peint est orné de quatre colonnes corinthiennes couvertes de dorures délimitant deux niches latérales abritant les statues du Christ tenant le Sacré Cœur et de Saint Joseph, tandis qu'un tableau représentant Saint Vincent domine la partie centrale du retable. Cette composition d'inspiration baroque a été offerte à la paroisse par le duc d'Épernon. Le collatéral sud abrite quant à lui un retable du XIX siècle réalisé par l'artiste Jabouin d'Angers représentant la Vierge et des personnages de l'ancien testament. Ce même artiste est l'auteur du maître-autel orné d'une arcature dans laquelle on retrouve les figures polychromes du Christ entouré des quatre Évangélistes.
Une mosaïque allégorique et des tableaux retraçant l'enfance du Christ complètent l'ornementation du sanctuaire.
L'église abrite également deux statues en albâtre d'origine anglaise. Situées dans des niches à l'entrée de l'édifice, elles représentent Sainte Catherine et Saint Jean-Baptiste et sont datées du XV siècle. Une châsse reliquaire du XIII siècle en cuivre doré et émail est conservée dans le trésor de l'église. Enfin, une chaire provenant de l'ancienne église Saint-Projet de Bordeaux est venue enrichir le sanctuaire après la démolition partielle de cette dernière.
