A l'occasion de la réalisation de la voûte de la chapelle sud, dans le premier quart du XVIe siècle, les chapiteaux qui devaient couronner les deux colonnes du XIIIe siècle conservées contre le mur oriental ont été resculptés ; du côté ouest, on a installé deux culots pour recevoir la retombée de l'ogive ; et la clé de voûte a également reçu un décor figuratif.

Cet ensemble de sculptures a par la suite été recouvert par un badigeon (visible sur les photos prises en 1991), ôté lors de la restauration récente de l'église. Les armes qui étaient probablement figurées sur le chapiteau sud-est ont été bûchées, peut-être à la Révolution. L'écu du culot nord-ouest paraît quant à lui totalement moderne.

Les deux autres sculptures qui leur font pendant sont mieux conservées, mais les détails en sont un peu altérés. Sur le culot sud-ouest, on reconnaît deux putti tenant un objet difficile à identifier, peut-être un phylactère ou un cuir découpé. La sculpture la plus lisible est celle du chapiteau nord-est (la plus proche de l'abside). Elle représente un lion, reconnaissable à sa crinière et à ses pattes griffues, chevauché par un homme qui l'attrape par le cou. L'homme est habillé d'une tunique ceinturée à la taille et aux manches bouffantes, il porte des bottes et une coiffe rappelant un turban avec du tissu volant au vent. Il s'agit vraisemblablement de l'épisode biblique de Samson tuant le lion (Livre des Juges, 14:6), un thème dont la popularité, au début du XVIe siècle, a sans doute été attisée par une estampe de Dürer (consultable dans la rubrique "liens web").

Enfin, à la clé de voûte, apparaît une Vierge à l'Enfant qui évoque la Femme de l'Apocalypse, debout sur un croissant de lune et entourée de rayons lumineux. Cette iconographie, qui renvoie à l'Immaculée Conception, est très fréquente au début du XVIe siècle. Elle est véhiculée par des gravures comme celle de Dürer en 1508 (voir la rubrique "liens internet"). Mais plutôt qu'un croissant de lune, la Vierge est ici debout sur une nef, aux extrémités de laquelle se tiennent deux petites figures un peu indistinctes, peut-être un singe à gauche, et un personnage en buste à côté d'un canon (?) à droite. Cette iconographie renvoie à Notre-Dame de Boulogne, dont le culte, très populaire en région parisienne, a donné lieu à la confection de nombreuses enseignes de pèlerinage aux XVe et XVIe siècle, plusieurs d'entre elles ayant été retrouvées dans la Seine au XIXe siècle (voir rubrique "liens web"). On ignore les raisons de cette référence à Notre-Dame de Boulogne dans l'église des Alluets-le-Roi. Peut-être le commanditaire était-il affilié à la confrérie de Notre-Dame de Boulogne, dans l'église des Menus (qui a donné son nom à l'actuelle commune de Boulogne-Billancourt) ?