Bâtie durant une période de transition architecturale, elle possède un clocher de style roman et un chœur de style gothique. Saint-Denis de Wissous a également la particularité de posséder deux nefs. Des fresques du début du XVIe siècle ont été retrouvées en 1880, dans le bas-côté sud de l’église et ont été classées en 1905.
À la fin du XIXe siècle, l’église a menacé de s’effondrer. Fermée en 1902 pour des raisons de sécurité, il était question de la démolir afin de créer un nouveau lieu de culte. Heureusement, grâce à un emprunt de la ville et une aide de l’Etat, des travaux de réhabilitation ont pu être effectués. C’est l’architecte Isabey qui a dirigé les travaux de mars à juillet 1904. Toiture totalement refaite avec le remplacement des tuiles par des ardoises, nouvelle voûte pour la nef, restauration des murs nord, ouest et du perron. En quelques mois, l’édifice a été remis à neuf avec pour finir la réfection du clocher et une modification de la partie supérieure de celui-ci. À l’entrée de l’église, figure l’arbre de la liberté : un chêne a en effet été planté en 1919 à cet endroit pour symboliser la victoire de la Première Guerre mondiale.
En 2011/12, des restes archéologiques ont été découverts. Des fouilles ont donc été menées. Le 4 avril 2012, l'église a ouvert ses portes. En route vers l'an 3000...