L'église était un lieu de pèlerinage sur la route de Saint-Jacques-de-Compostelle. Saint-Dye est un prieuré de l'abbaye de Pontlevoy. L'imposante construction du XVIe siècle reprend l'emplacement d'une église carolingienne qui abritait le tombeau de saint Deodatus. L'édifice se compose d'un clocher-porche, d'une nef avec deux bas-côtés, d'un transept et d'un choeur qui se termine par une abside semi-circulaire à cinq pans. La communication entre la nef et ses bas-côtés se fait par quatre grandes arcades en tiers-point. Des voûtes d'ogive couvrent l'ensemble de l'édifice. Certaines clés de voûte de la nef portent le soleil de Louis XIV. Le décor sculpté date de la fin de la Renaissance et de la fin du XVIIe siècle. Des contreforts rythment les façades extérieures. Ils appartiennent à la campagne de restauration de 1684. Une corniche sculptée court sur les murs du transept et du choeur. La croisée du transept porte une petite tour-clocher. Le très beau clocher-porche, inachevé, date de 1547. Au rez-de-chaussée s'ouvrait une salle sur la nef, appelée narthex. L'église conserve dans son choeur le sarcophage en grès rose d'Anjou de saint Dié.