L’église paroissiale Saint-Nicolas des Alluets-le-Roi est située au centre du village. Elle est orientée et s'organise selon un plan en croix latine, avec un chevet plat et deux chapelles latérales au nord et au sud, formant un faux-transept. La chapelle nord sert de base au clocher. Une sacristie moderne, de plan carré, a été accolée contre l'église au nord-est, jouxtant le clocher et l'abside. La nef, qui compte six travées, est à double vaisseau, avec un collatéral au sud, plus étroit, séparé du vaisseau principal par une rangée de grandes arcades en arc brisé.

L'aspect extérieur est placé sous le sceau de la simplicité. La façade occidentale est une façade pignon à deux niveaux, avec une porte sous un entablement néoclassique, surmontée d'une baie circulaire. La disposition des trois contreforts à glacis qui rythment la façade annonce la distribution intérieure, avec un large vaisseau central (desservi par les deux baies, décentrées) et un collatéral sud plus étroit (non éclairé à l'ouest).

Les murs nord et sud de la nef sont eux aussi épaulés par des contreforts à glacis et percés de baies cintrées. Le mur sud présentait une porte au niveau de la dernière travée du collatéral, aujourd'hui obturée.

L'abside est éclairée par une baie à remplages flamboyants, ornée d'un vitrail contemporain.

Le clocher est renforcé par huit contreforts, placés aux extrémités de chacune de ses faces. Le dernier étage est percé par des baies géminées, en tiers-point.

La nef, les chapelles et l'abside ont un toit de tuiles plates, à longs pans. Seul le clocher est couvert par une flèche en ardoise.

Si l'extérieur est assez austère, l'intérieur de l'église se révèle plus riche, avec un intéressant décor sculpté. Les grandes arcades du XIIIe siècle ont des chapiteaux à décor végétal, étudiés dans le dossier IM78001422. Les parties orientales présentent quant à elles un décor flamboyant, avec des clés de voûte et des culots sculptés représentant des personnages bibliques : une Vierge de l'Apocalypse, des personnages portant des phylactères (probablement des prophètes) ou encore Samson et le Lion. On y trouve aussi des représentations animalières, peut-être symboliques (un hibou attrapant une souris), et des écus héraldiques dont les armes ont été buchées lors de la Révolution Française. Ce décor fait l'objet des dossiers IM78001421 (choeur) et IM78001420 (chapelle sud).

Par opposition aux parties orientales de l'église, voûtées d'ogives, la nef est charpentée, avec un lambris de couvrement. Les lambris proprement dits sont modernes, mais les entraits et les sablières sont d'origine. Le vaisseau central de la nef présente une charpente lambrissée à pans coupés, tandis que le collatéral sud est simplement couvert d'un plafond.

Bien que celle-ci soit cachée par les voûtes d'ogives, la charpente du XVIe siècle est encore conservée dans la partie orientale de l'église, accessible par le clocher.