La construction de la chapelle fait suite à la nouvelle ferveur pour saint Genou au XIIe siècle. L'édifice, assez simple dans son premier état, se compose d'une nef unique lambrissée. Au XVe siècle, sont ajoutés le transept, le choeur et l'abside à trois pans dans un style plus sophistiqué. Une voûte en ogives recouvre le tout. L'une des clés de voûte représente un béquillard. Elle symbolise les malades qui venaient ici en pèlerinage pour demander la guérison de leurs rhumatismes ou de leurs problèmes de genoux au saint. Des contreforts s'appuient aux angles des façades extérieures du transept et du choeur. Une petite flèche couronne la croisée du transept. Les fenêtres latérales de la nef sont murées au XVe siècle pour recevoir des fresques. Elles évoquent les principaux épisodes de la vie de saint Genou. Les peintures, soit trente-cinq panneaux, s'organisent sur une frise haute d'un mètre sur tout le pourtour de la nef. Une fenêtre dans le chevet regroupe différents fragments de vitraux, dont les armes de la famille d'Etampes (seigneur de La Ferté-Imbault) ou un miracle de saint Genou.