L'édifice est constitué d'une triple nef dépourvue de transept ce qui en simplifie le plan. Il possède des voûtes complexes, ornées de clés pendantes dans le bas-côté gauche. Les armoiries et devise des Montmorency sont visibles sur les clés de voûte et au couronnement des piliers. 14 des 22 vitraux datent du XVIe siècle. Outre des œuvres d'art, ils constituent de véritables documents historiques. Les huit autres vitraux furent ajoutés dans le même style à la fin du XIXe siècle.
Le chœur abrite des stalles en bois du XVIe siècle; le bénitier est une vasque de marbre provenant du château voisin disparu de la Barre.
La collégiale abrite également des souvenirs de la colonie polonaise qui s'était établie à Montmorency après l'insurrection ratée de 1831 : dans le chœur, se trouve une reproduction de la Vierge noire de Częstochowa, objet d'une grande dévotion en Pologne. En revers de la façade occidentale, sont édifiés les tombeaux et gisants des généraux Niemcewicz (déc. en 1841) et Kniaziewicz (mort en 1842), mais les pouvoirs publics s'étant opposés au transfert de leurs cendres, les monuments sont restés depuis de simples cénotaphes. On peut aussi remarquer le monument funéraire avec buste du prince Czartoryski (déc. en 1861), et diverses inscriptions à la mémoire des notabilités polonaises.