Une chapelle dédiée à la Vierge est mentionnée en 850 parmi les biens du chapitre de la cathédrale. C'est la première référence à Notre-Dame en Vaux. Elle était alors située en dehors de la ville. En 1107, la chapelle devient une église paroissiale. En 1114, les 6 chanoines qui administrent Notre Dame en Vaux demandent leur indépendance vis-à-vis du chapitre de la cathédrale. En 1157, des miracles se produisent lors de la reconstruction de l'église qui s'était effondrée. Une bulle papale permet, quelques années plus tard, l'accroissement du nombre de chanoines. Entre 1181 et 1187, un conflit avec le curé de la paroisse éclate concernant la délimitation des prérogatives de chacun. A cette époque, le nombre de chanoines est augmenté mais pas les prébendes qui doivent donc être partagées.

Au sud, on trouve un porche de style gothique flamboyant, qui abrite un portail du XIIe. Le tympan a été soigneusement martelé et on n'y décèle que la silhouette d'un Christ entouré du tétramorphe.

Le transept présente deux grandes baies cintrées, surmontées chacune d'un oculus quadrilobé. Les archivoltes sont ornés de motifs végétaux. Ce premier ensemble est surmonté d'une fenêtre à trois lancettes, reliées sous un arc en anse de panier. Le pignon est lui aussi percé d'un oculus polylobé.

Le chevet présente un bel étagement de baies brisées. Les culées massives des arcs-boutants retombent entre les chapelles rayonnantes.

Le chevet est encadré de deux tours de 32 mètres de haut. Sur trois niveaux, elles sont percés de de grandes baies cintrées.

Au revers, le fenestrage comprend une rose rayonnante, précédée de trois fenêtres brisées. Les vitraux sont du XIXe siècle.

Les arcades de la nef reposent sur de beaux chapiteaux aux motifs végétaux ou animaux.

Le vaisseau central est bordé par des collatéraux voûtés d'ogives et éclairés par de grandes baies brisées.

Les bras du transept sont la partie la plus ancienne de l'église. Il comportent chacun deux travées.

Celles-ci sont réunies par une voûte d'ogives sexpartites. Les murs de fond sont percés de baies cintrées et d'oculi quadrilobés.

Les murs latéraux n'ont pas une élévation symétrique. Au nord-est (ci-contre à gauche), le mur s'ouvre sur une chapelle et sur le déambulatoire, alors qu'au sud-est, la chapelle sert d'accès au déambulatoire. On y trouve de beaux chapiteaux (ci-contre, des harpies).
On retrouve au-dessus des arcades la tribune et le triforium, qui se poursuivent dans le choeur.

Le chœur, peu profond, comporte une travée droite et un rond-point à cinq pans. Son élévation est semblable à celle de la nef.

A l'entrée du choeur, deux statues, adossées aux piliers de la croisée, se font face : Moïse (à gauche) et Aaron (à droite).

Le chœur est ceint d'un déambulatoire voûté d'ogives. Il ouvre sur trois chapelles rayonnantes peu profondes. L'architecte a adopté une solution originale pour conserver des croisées d'ogives à plan carré tout en faisant tourner le vaisseau. Il a donc ajouté deux fines colonnes intermédiaires à l'entrée des chapelles.