L'église Saint-Pellerin, de plan rectangulaire de 26 m de long pour 7 m de large du XIIème siècle, reconstruit au XVIème siècle, n'a conservé de l'époque romane qu'une partie du mur méridional plusieurs fois réparé.
Vers 1100, Hamelin de Montigny concédait gracieusement aux moines, le droit de prendre dans ses forets tout ce qui serait utile pour la construction et l'entretien du prieuré et de l'église de St Pellerin.
La construction est faite avec les matériaux du pays ; les murs en silex, les contreforts anciens en roussard et le calcaire pour les encadrements de portes et fenêtres, piliers, parties sculptées et contreforts plus récents.
Le portail de style Renaissance est surmonté d'une coquille emblème de Saint-Jacques, significative du passage des pèlerins de Compostelle et d'un culot sculpté figurant un ange tenant un écu.
Le chevet plat est percé d'une grande fenêtre à meneaux. Cette dernière est habillée de beaux vitraux représentant différents Saints (Saint Pierre, Saint Pellerin, Dieu et la Saint Esprit entourés d'anges).
Dans le cœur, on peut admirer trois statues : Saint Pellerin, Saint Eloi et Saint Martin. Les rampants des pignons ornés de choux-frisés et de chiens assis aux quatre angles de la toiture.

Du coté nord, on peut voir, encastré dans le mur, le reste de deux arcades retombant sur une colonne que l'on retrouvera à l'intérieur de l'église. Ce doit être un vestige de l'ancien clocher-tour carré, qui à sa base formait une chapelle latérale. Cette partie a été détruite par un incendie au début du XIXème siècle. La chapelle réaménagée en l'honneur de Sainte Philomène est ornée des armoiries de Raoul-Victor, duc de Montmorency, parrain de la cloche en 1846 et châtelain de Courtalain jusqu'à sa mort en 1862.
L'église, incendiée par la foudre le 22 février 1812. Le tonnerre tomba sur la pointe du clocher. La foudre mit le feu à la flèche qui surmontait la tour en pierre. Il était dix heures du soir. En peu de temps, la charpente, les lambris furent consumé et la cloche fondue.

La reconstruction de l'église fut décidée en mai 1819 (date sur les 5ème et 7ème entraits) à 1821 grâce aux libéralités des Montmorency, avec la participation des habitants, a retrouvé une belle charpente moulurée. L'inauguration eut lieu le 20 septembre 1821. La cloche mise en place dans la flèche élevée sur la charpente de la toiture en 1823, a été remplacée par la cloche actuelle en 1846. La bénédiction a été faite par l'abbé Pie alors vicaire général et plus tard évêque de Potiers. Cette cloche porte le nom de « Anne-Euphémie » du nom de ses parrain et marraine, les donateurs, Monsieur Anne-Louis-Raoul-Victor, duc de Montmorency et Madame Théodore-Valentine-Euphémie, duchesse de Montmorency.
A la pointe du clocher se trouve le coq remis en place en 1994, après la restauration de la couverture.
La chapelle, sur la gauche avant la sacristie, a été restaurée par le duc de Montmorency au début du XIXème siècle. L'abbé Porchée, curé de Saint-Pellerin, l'a rénovée et bénite en 1860. Il l'avait dédiée au Saint et Immaculée Cœur de Marie, au nom duquel il fonda une Archiconfrérie qui, à l'époque, comptait plus d'une centaine de membres.

Un cadran solaire restauré se trouve sur la façade Est.