En 1273, la ville bâtie au pied du château féodal, bénéficie de la charte de franchises concédée par le comte Philippe de Savoie provoquant une augmentation de la population. Les habitants souhaitent disposer d'un lieu de culte plus proche et plus accessible que l’ancienne église paroissiale de Buénans, et aussi plus spacieux que la chapelle du château. Un premier édifice est alors bâti dans la cité qui remonte sans doute aux années 1270 ; il est reconstruit un siècle plus tard selon le testament du marchand Jean du Gour qui mentionne le legs fait le 11 septembre 1383  « à la chapelle Saint-André, par moi construite dans la ville de Châtillon ». Peu après sa construction, cette église fait l’objet de transformations importantes, puis, à partir de 1431, on décide de la reconstruire presque totalement. Les travaux durent jusqu'à la fin du siècle (la voûte de l'abside est terminée en 1488) ; ils sont connus en détail grâce aux comptes de construction qui présentent de ce fait un intérêt archéologique et historique exceptionnel.

L’église devient collégiale le 2 septembre 1652 avec la création d'un chapitre de six chanoines et un doyen, fondé par Antoine Blanchard, capitaine-châtelain de la ville et du comté. Au sol de l’allée centrale, une  plaque funéraire en bronze rappelle cette fondation.

Demeurée à peu près intacte depuis l'époque gothique, hormis la démolition du clocher sous la Révolution, elle est classée monument historique depuis 1909. Son état de conservation, joint à la présence des comptes de construction, en fait un monument remarquable dans l'Ain.

Dans la façade s'ouvre un seul portail gothique à fleurons, choux et pinacles ; il est surmonté d'une ouverture circulaire en œil-de-bœuf, ou d'un « O » comme l'on disait autrefois. Le pinacle se termine par un petit pavillon qui renfermait l'horloge publique, et auquel on accède par un escalier aménagé dans une tourelle octogonale légèrement saillante, au-dessus de l’ouverture.

A l’intérieur, la nef, à quatre travées voûtées sur croisées d'ogives, ne comporte pas de bas-côtés, mais seulement des chapelles latérales, une de chaque côté. L’entrée latérale au sud présente à l'extérieur un second beau portail à fleurons et pinacles. Une tourelle d'escalier saillante donne accès au clocher ; elle passe pour être un vestige de la première église.

Une couronne de treize chapelles dédiées à divers saints protecteurs s’ouvre sur la nef et le chœur. Elles sont fondées par les familles nobles ou bourgeoises du Gour, Vuilliardier, Jacob de La Côtière, Charlet, Courtois, ou d’Epey, mais aussi par les confréries des maréchaux-ferrants et des cordonniers. On y pénètre par un arc gothique flamboyant aux fines sculptures. Les voûtes sur croisée d’ogive portent des clefs souvent armoriées.

L'église se termine à l'est par une travée de chœur et une abside à cinq pans, éclairée par trois grandes fenêtres à remplages flamboyants ; elle est couverte de six quartiers de voûte ; la clef, richement sculptée, porte un écu avec la croix de Savoie.

Vincent est nommé curé de Châtillon-les-Dombes le 1er août 1617. Face à la grande misère spirituelle et physique des campagnes françaises de l’époque, il mobilise les grandes dames de la noblesse et de la bourgeoisie au service des oubliés et des plus démunis. C’est ainsi qu’il fonde à Châtillon la première "Société des dames de charité" le 8 décembre 1617. Il ne reste que quelques mois en Dombes, très vite rappelé à Paris auprès de l’influente famille Gondi dont il était le précepteur, qui lui confie la charge d’aumônier des galères.

Un ensemble de vitraux historiés de la fin du 19e siècle du maître-verrier lyonnais Paquier-Sarrasin, éclairent l’église. A côté des représentations des scènes de la vie de la Vierge et du Christ, du Curé d’Ars et d’autres saints protecteurs, une large place est réservée aux épisodes de la vie de saint Vincent-de-Paul. Dans la nef, il est représenté en berger de Gascogne généreux auprès d’un éclopé, accueillant un mendiant, parmi les galériens, prêchant  les fidèles venus l’écouter, rassemblant les dames pour s’occuper des malades et des pauvres, créant l’œuvre devenue célèbre des « enfants trouvés », mourant et enfin en apothéose accueilli au ciel.

Dans le chœur, trois baies jumelées illustrent l’épisode de la fondation de la première société des « Dames de la Charité » le 8 décembre 1617. Vincent remet le règlement à Madame de La Chassagne agenouillée devant lui ; de part et d’autre, les dames assistant  à l’événement.

A l’époque médiévale, les populations prient la Vierge et divers saints invoqués pour leur venir en aide en cas de guerre, maladie ou épidémies. A la faveur du développement de la piété individuelle, les seigneurs locaux fondent des chapelles familiales et commandent de nombreuses œuvres. C’est également le cas de la bourgeoisie et de certaines confréries.
Les chapelles latérales de l’église Saint-André présentent plusieurs statues de saints populaires en bois polychrome, datant du 16e au 18e siècle : sainte Marguerite terrassant un dragon, l’évêque saint Eloi, patron des forgerons avec marteau et enclume, ou encore saint Roch invoqué en cas de peste. La grande statue de saint Sébastien en noyer est l’œuvre du sculpteur châtillonnais Jean Tarrit en 1902.

Objets mobiliers et vitraux de l'église Saint-André