L'église Saint-Pellerin bâtie sur une crête à 160m d'altitude environ, ainsi que le village, sont situés en limite du Perche-Gouët (Saltus Perticus), et sont bordés par la vallée de l'Yerre.

L'église est de plan rectangulaire de 26 m de long pour 7 m de large. Du XIIème siècle, on attribue l'édification du mur de façade et d'une partie des murs latéraux. Soutenus par 3 contreforts de pierres calcaires, ces derniers datent vraisemblablement du XVIème siècle.
A l'origine l'église est une construction romane dont il ne reste que la partie méridionale. Il est fait mention aux archives départementales le 7 août 1852, d'une importante caquetoire en bois et tuiles qui couvrait la façade et qui s'appuyait sur le ressaut visible sous le vitrail. Elle n'existe malheureusement plus aujourd'hui.
 De la réfection qui fut faite à la renaissance, on peut remarquer sur la façade Ouest, ses rampants à crochets des deux pignons ornés de choux-frisés, de chiens assis aux quatre angles de la toiture et d'un clocheton en pierre au faîte des rampants.
Ces murs étaient moins hauts que les murs actuels et on peut voir encore des modillons (pierres sculptées) au dessus du 1er et 2ème contrefort, sur lesquels devait reposer le bas de la toiture et les pierres carrées qui sont au niveau supérieur des contreforts de grison de chaque côté de la façade. On remarque également la sablière ou reposait l'ancienne toiture.
A l'époque on entrait dans l'église romane par la petite porte dont l'encadrement en plein cintre, à côté du 1er contrefort est encore visible. Cette porte a été murée à la renaissance lors de son remplacement par l'ouverture actuelle.
Le 1er écrit retrouvé sur les origines de l'église, se situe en 1039 ou Rahérius de Montigny abandonne à Dieu et à Saint Martin (315-397) des biens de son patrimoine, qui lui viennent de son père, dont le domaine sis en pays Dunois, qui s'appelle Saint Pellerin, avec près, vignes, terres cultivées et en friches, serviteurs et servantes qui demeurent en ces mêmes lieux.
Vers 1100, Hamelin de Montigny concédait gracieusement aux moines, le droit de prendre dans ses forêts 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.
Une réfection importante fut faite à l'époque de la Renaissance avec l'aide de la famille de Montmorency et des entrepreneurs et architectes qui travaillèrent à la construction de leur château de Courtalain.
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.
Entre les contreforts, les fenêtres plein cintre ont été agrandies à la renaissance lors de la restauration.
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, l'arc plein cintre suivant la chapelle comporte à gauche de la porte de la sacristie, trois statues en élévation représentant à gauche Saint Pellerin évêque d'Auxerre, à droite Saint Eloi patron des forgerons avec ses attributs le marteau et le sabot de cheval, au centre la charité de Saint Martin statue équestre en bois polychrome du XVIème siècle. Malgré son âge cette statue conserve sa fraicheur et sa naïveté. Suit la statue de l'Immaculée Conception dont le socle est orné d'un magnifique visage d'angelot
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 dédiée à Sainte Barbe. Au-dessus du contrefort de calcaire et du contrefort de grison, les pierres carrées représentent le niveau où reposait l'ancienne toiture. 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, avec la participation généreuse et bénévole des habitants de Saint-Pellerin. C'est un beau travail d'artisans locaux dont on trouve les noms sur les 5ème 6ème et 7ème entraits. Passé le portail monumental doté d'un sas, on remarque immédiatement le plafond en bois blanc de 1819 en forme de coque de bateau renversée. Sur le 5ème entrait, à la vertical, domine un Christ en bois, sur la poutre horizontale est marqué « F.P. les Dorillau 1819 ». Sur l'avant-dernier entrait sont suspendus 2 lustres aujourd'hui électrifiés, mais dont on allumait autrefois les bougies en les descendant au moyen d'une corde et de poulies. On voit encore ces dernières fixées sur l'entrait et la boite en bois où l'on rangeait la corde, est scellée dans le mur après la porte cloutée. Dans l'axe médian, sur toute la longueur, ont été sculpté en bois et appliqué sur la charpente, la lune, les étoiles et des cœurs. 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.
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.
A la pointe du clocher se trouve le coq remis en place en 1994, après la restauration de la couverture.
Sur le mur latéral gauche, on remarque immédiatement le magnifique chemin de croix en émaux bleus datant du début du XIXème siècle, donné par la Communauté des sœurs de la Providence d'Arrou et fait rénover par Mme Aulard, habitante de la commune en 2005.
Les deux croix consacrées de l'église, sur fond rouge, sont rapportées sur chacun des fûts des piliers de l'arc plein cintre.
Au dessus des chapiteaux figurent les armoiries de Raoul Victor, 5ème duc de Montmorency, parrain de la cloche en 1846.
Une importante rénovation eut lieu également au cours des années 2002-2003 sous le conseil municipal formé par Mme Podskocova, maire de Saint Pellerin. Cette rénovation a eu pour but d'enrayer la remontée d'humidité du pied des murs, de supprimer les infiltrations venant du toit, de rejointoyer les pierres des murs extérieurs au moyen d'un enduit à l'ancienne, la mise en valeur du clocher et de ses abat-sons, de restaurer les chimères et le cadran solaire. L'inauguration de la restauration de l'église et du cadran solaire eut lieu le 11 octobre 2003.

Sur la façade Est se trouve le cadran solaire, restauré en 2003 en maintenant son style d'origine, réalisé par un graveur prénommé « Crepeau » en date de 1864, indications prises sur celui-ci. Sur le haut il est écrit « Pèlerin tu marches vers ta dernière », qui s'adresse aux Pèlerins en route pour Compostelle.