Pour répondre à la demande d’une nouvelle église pour le quartier, la Ville de Paris et le Conseil de Fabrique confient sa réalisation à l’architecte de la Ville en charge du VIème arrondissement, Léon Ginain (1825-1898). 

Léon Ginain s’est formé aux Beaux-Arts. Il remporte le prix de Rome en 1852 et réside à la Villa Médicis entre 1853 et 1857. Il réalise la nouvelle faculté de médecine du Boulevard Saint Germain, construit l’hôpital Tarnier entre la rue d’Assas et de l’avenue de l’Observatoire de 1877 à 1880 et agrandit la mairie du VIème arrondissement. Plus tard, Il exécutera le palais Galliera, musée de la Mode de la Ville de Paris. 

Pour Notre-Dame-des-Champs, dont la construction s’étend de 1867 à 1876, Léon Ginain s’inspire de l’architecture romane. Depuis les travaux d’Eugène Viollet-le-Duc (1814-1879), à qui l’on doit la restauration de Notre-Dame-de-Paris en 1843, les formes médiévales sont très en vogue. Nombre d’églises parisiennes construites dans ces années reprennent ces codes : Saint-Pierre-de-Montrouge, Saint-Augustin, le Sacré-Cœur de Montmartre … Et comme beaucoup d’édifices construits dans ce type, la tour du clocher est placée à droite, entre la nef et le chœur.

 On retrouve à Notre-Dame-des-Champs des matériaux fréquemment utilisés dans les églises construites sous le Second Empire. Son architecture métallique, réalisée dans les ateliers Eiffel, lui permet de bénéficier d’une voûte assez haute et d’une large portée, ainsi que les forces nécessaires à la double verrière. Seuls les soubassements sont en vraie roche.

Le choix de ces matières peu onéreuses et une ornementation très sobre permettent à l’architecte de maintenir des prix serrés, sans dépassement par rapport au devis initial. Deux morceaux de sculpture seulement sont commandés : un bas-relief, commandé à Gabriel-Jules Thomas, et une statue en marbre, commandée à Alfred Adolphe Lepère, pour la chapelle de la Vierge.

Dès l’origine, une frise a été souhaitée et aménagée dans la nef, le chœur et jusqu’à la demi-coupole de la chapelle de la Vierge pour accueillir une série de peintures, dont la réalisation, confiée à Joseph Aubert, ne débute qu’en 1891. En conséquence, le chœur est d’une longueur inhabituelle (5 arcades jusqu’à la chapelle de la Vierge), ce qui permet d’exposer 11 des 23 toiles d’Aubert sur la vie de la Vierge. La nef est scandée d’arcades, en plein cintre, soutenues de piliers cruciformes. Les chapiteaux sont ioniques et l’on peut remarquer des colonnes engagées jusqu’aux doubleaux de la voute d’arêtes.

L’église est orientée Nord-Sud pour s’insérer dans l’urbanisme existant, et pas Est-Ouest comme le souhaite la tradition liturgique. Le clocher renferme 3 cloches, Élisabeth, Louise et Berthe, offertes par la Ville de Paris et baptisées en 1877.

Le tympan de la façade Sud est orné d’un bas-relief représentant la Vierge, assise au centre, tenant l’Enfant-Jésus sur ses genoux. De part et d’autre, des enfants viennent lui offrir du raisin et des gerbes de blé.

Il a été réalisé par Gabriel-Jules Thomas (1834-1905), formé à l’École des Beaux-Arts, grand prix de Rome en 1858, membre de l’Académie des Beaux-Arts et professeur aux Beaux-Arts, Gabriel-Jules Thomas.

Artiste reconnu, Jules Thomas reçoit de nombreuses commandes publiques et voit son travail récompensé de prix et médailles aux Salons de Paris et aux Expositions universelles de 1867 et de 1889.

Il est l’auteur de la lunette du Portail de Saint-Etienne du Mont, représentant le martyre de saint Etienne, du fronton de l’église Saint-François-Xavier, « Saint François-Xavier baptisant les habitants de l'Inde et du Japon », et d’une figure de l’Architecture qui orne le palais Galliera, construit par Léon Ginain, architecte de Notre-Dame-des-Champs.

Commandée en 1876 par la Ville de Paris, cette statue représente saint Joseph à la hache. Son modèle en plâtre est exposé au Salon en 1879. Elle a été sculptée par Jean-André Delorme (1829-1905).

Jean-André Delorme entre à l’École des Beaux-Arts en 1851 et reçoit le second prix de Rome en 1857. Il débute au Salon des Beaux-Arts en 1861 et y expose régulièrement jusqu’à sa mort. Membre du jury de la Société des artistes français en 1881, il est récompensé par une médaille de bronze à l’Exposition universelle de 1889.

Il réalise plusieurs œuvres pour des églises : « L’Éducation de la Vierge », à Saint-Gervais-Saint-Protais, un saint Joseph, pour l’église Saint-Bonaventure de Lyon (Saint Joseph), ou encore une Mater dolorosa pour l’église de Rozier. On lui doit également plusieurs portraits de personnages illustres, ainsi que celui de Boileau qui orne l’une des niches de la façade de l’Hôtel de Ville de Paris.

Il est enterré au cimetière du Montparnasse où l’on peut découvrir ses traits sur son propre buste.

Inauguré le 20 mars 1877, avec un récital du titulaire Auguste Andlauer (1845-1926) et de Charles-Marie Widor (1844-19237), l’orgue de l’église est l’œuvre du très célèbre facteur Aristide Cavaillé-Coll (1811-1899). Notre-Dame-des-Champs a alors la chance d’être voisine de son atelier, avenue du Maine, et de le compter parmi ses paroissiens car sa célébrité le fait beaucoup plus travailler pour les cathédrales que pour les églises de quartier.

Cavaillé-Coll est lui-même membre du « Conseil de Fabrique » de l’église, c’est-à-dire qu’il fait partie des décideurs administratifs et financiers. Notre-Dame des Champs n’aurait jamais pu s’offrir un orgue de cet atelier prestigieux sans ce hasard.

A l’origine, l’orgue de Notre-Dame-des-Champs comporte 26 jeux sur deux claviers et pédalier. En 1947, les facteurs Daniellot et Salmon procèdent à un relevage et à une réfection partielle de la mécanique et déplacent l’instrument près de 2 mètres en arrière. En 1973, l’orgue est restauré par la maison Curt Schwenkedel de Strasbourg et est agrandi à 34 jeux. 

Né dans une grande famille de facteurs d’orgues, Aristide Cavaillé-Coll fait son apprentissage auprès de son père et de son frère aîné à Toulouse. En 1830, il invente, en collaboration avec eux, un instrument à clavier et à anches libres baptisé " poïkilorgue " ou orgue varié expressif. Gioachino Rossini (1792-1868) remarque leur invention et les incite à venir à Paris, ce qu’ils font dès 1833. Aristide Cavaillé-Coll se fait connaître en remportant le concours ouvert pour la construction d'un grand orgue à l'abbaye royale de Saint-Denis. Son instrument novateur comporte, en germe, tout son génie. Terminé en 1841, il marque le point de départ d'une carrière éblouissante.

Néanmoins à partir de 1868, de nombreuses difficultés s’accumulent dont la mort de sa femme. Avec la guerre de 1870, les commandes ne peuvent être honorées du fait de la mobilisation aux armées du personnel et du siège de Paris. L’entreprise est donc momentanément fermée. Aristide doit emprunter, la Manufacture est hypothéquée en garantie. Il doit céder son entreprise à Charles Mutin, en mars 1898. Atteint d’une cécité galopante, Aristide Cavaillé-Coll meurt l'année suivante, le 13 octobre 1899, à Paris. Il est inhumé au cimetière du Montparnasse. 

600 orgues sont sorties de ses établissements et se trouvent dispersées à travers le monde : 55 à Paris, 300 dans diverses cathédrales ou églises de France ; le reste se trouve dans différents pays : Angleterre, Belgique, Danemark, Espagne, Hollande, Italie, Portugal, Roumanie, Suisse, Amérique du Nord, Bolivie, Brésil, Canada, Chili, Colombie, Costa-Rica, Cuba, Haïti, Mexique, Pérou, Chine, Indochine, Inde…

Un hommage est rendu à cet artisan de génie, cent ans plus tard : Eric Walter Elst de l'Observatoire royal de Belgique nomme l'astéroïde 5184, découvert en 1990, « Cavaillé-Coll ».

Les vitraux de la chapelle de la Vierge, tout comme ceux de la sacristie et de la crypte, sont des œuvres plus tardives. Ils ont été réalisés en 1898 par les ateliers Champigneulle, situés tout près de la paroisse, rue Notre-Dame-des-Champs.

A l'Ouest : Saint Denis, premier évêque de Paris, visite la Sainte Vierge dans la maison de Saint Jean à Ephèse. La tradition a assimilé la renommée des trois saint Denis (celui de Paris), saint Denys l'Aréopagite (évêque d'Athènes) et saint Denis d'Alexandrie qui vécut à la fin du IVème siècle. Si bien que la vie légendaire de Denis de Paris emprunte aux deux autres Denis certains épisodes. Cette visite à Ephèse n’a absolument pas eu lieu. Cette confusion a commencé au VIIIème siècle et s’est prolongée jusqu’au milieu du XXème siècle.

A l’Est : Saint Denis élève à la Sainte Vierge son plus ancien autel, au lieu qui s’appellera Notre-Dame-des-Champs (voir la page d’histoire)

Issu d’une famille de maîtres-verrier, Charles-François Champigneulle (1853-1905), s’installe au 96 rue Notre-Dame-des-Champs dans un grand atelier qui perdure jusqu’en 1938. Il reçoit de nombreuses commandes religieuses : l’église Saint-Vaast de Béthune, Notre-Dame de Saint-Mandé, ou encore l’église Notre-Dame de Sablé-sur-Sarthe. Son travail est reconnu et obtient de nombreuses récompenses. Il devient lui-même membre de jurys pour honorer l'art verrier aux expositions universelles de Paris.

Les vitraux simples, bordurés, qui donnent une grande luminosité à l’édifice et mettent en lumière les peintures d’Aubert, ont été réalisés par Nicol, Oudinot, Roche et Hirsch, et posés en 1881.

La construction de Notre-Dame-des-Champs achevée en 1876, l’église reste bien vide. Si les fidèles offrent généreusement de quoi la meubler et célébrer le culte, c’est l’abbé Joseph Cognat (1821-1887), curé de la paroisse depuis 1871, qui fait réaliser à ses frais le chemin de croix en 1879.

La commande est passée à Alexandre-Frédéric Charlot de Courcy (1832-1886), ancien élève des Beaux-Arts et grand prix de Rome, qui travaille aussi bien la peinture à l’huile que les émaux.

Le sujet de chaque station, réalisée en grisaille sur un fond de cuivre, a été médité et prié par l’artiste avant d’être exécuté.

Alexandre-Frédéric Charlot de Courcy fut élève aux Beaux-Arts en 1850. Comme peintre, il exposa entre 1861 et 1882 sous le nom de Courcy des peintures à l’huile mais aussi des émaux. Il fut attaché à la Manufacture de Sèvres entre 1864 et 1886. Ce Chemin de Croix n’est pas rapporté comme un tableau ; il fait partie de la maçonnerie.

La première station se situe près de la chapelle Saint Joseph, et le chemin se poursuit vers le fond de l’église pour revenir vers le bas-côté Est et terminer à la chapelle consacrée au Sacré Cœur.

La facture est très réaliste, le naturel y est exacerbé, comme les muscles des protagonistes, dans une tension puissante, renforcée par le ton froid du bleu outremer en contraste fort avec le blanc.

« Le repos de la Sainte Famille » qui orne le transept Nord de Notre-Dame-des-Champs a été offert par M. et Mme Belloir, un couple de paroissiens. Ils ont commandé l’œuvre en 1881 à Félix-Henri Giacomotti (1828-1909).

L’épisode représenté survient au moment de la fuite en Égypte : la Vierge Marie, saint Joseph et l’Enfant Jésus quittent la Palestine après que le roi Hérode ait ordonné de tuer tous les nouveau-nés.  Sous la généreuse frondaison d’un chêne, entre quatre anges ou archanges ailés en admiration et adoration, Saint Joseph porte l’Enfant Jésus en soulevant délicatement son lange, tandis que la Sainte Vierge regarde la scène avec tendresse. On remarque un jeune figuier, symbole de la survie, des rochers, une rivière et des palmiers qui suggèrent une ville et des lointains montagneux.

La représentation est ici exceptionnelle. Saint Joseph est traité comme le sujet principal, il prend vraiment soin de l’Enfant divin et le lange. L’iconographie très abondante du sujet met généralement en scène la Vierge portant l’Enfant mais jamais Saint Joseph dans un rôle attentif à l’Enfant.

Giacomotti est un peintre d’origine italienne, naturalisé français en 1849. Il commence sa formation à l’école de dessin Besançon, puis aux Beaux-Arts de Paris et obtient en 1854 le prix de Rome en peinture d’histoire et part pour la Villa Médicis à Rome. Il y fait la rencontre de plusieurs personnalités marquantes du XIXème siècle, tel que Jean-Baptiste Carpeaux (1827-1875), Edgar Degas (1834-1917), Gustave Moreau (1826-1898) ou encore Georges Bizet (1838-1875). À son retour, il expose au Salon de 1859 à 1909. Il pratique la peinture d'histoire et la peinture religieuse. La guerre de 1870 le ruine et l'oblige à s'investir davantage dans la réalisation de portraits, plus lucratif pour un peintre. Il est nommé directeur de l’école municipale des Beaux-Arts et conservateur du musée de Besançon jusqu'à sa mort.

Le Christ est ici représenté dans un paysage au soleil couchant et une nuée céleste. Il est accueilli dans sa mort par Dieu le Père, les anges et les grands de l’Ancien Testament : (de gauche à droite) Moïse, David et Abel puis Isaac, Isaïe et Noé, avec une colombe, en partie haute. 

Tandis que saint Bernard de Clairvaux, saint Augustin, sainte Marguerite-Marie, inspiratrice du culte du Sacré-Cœur, sainte Gertrude, mystique rhénane du Sacré-Cœur, et saint François de Sales l’entourent au niveau terrestre avec des anges et saint Longin. 

Ce dernier, cité dans l’Évangile de Marc, est le soldat qui transperce le cœur du Christ après sa mort. La Légende Dorée en fait un aveugle retrouvant la vue, par le sang du Christ jailli de son flanc. Il se convertit alors, part vivre en ermite en Cappadoce et meurt martyr des mains du gouverneur de cette province. Lui-même se convertit, à son tour, touché par la force intérieure de cet homme

Deux anges, sans ailes, tiennent un phylactère : « Un des soldats ouvrit son côté d’un coup de lance et aussitôt en sortit du sang et de l’eau. Vous puiserez l’eau, joyeux, aux sources du Sauveur. »

Le sang et l’eau éclaboussent Longin, le soldat au premier plan, qui se convertit. Après une vie exceptionnelle, il est canonisé. Saint Longin est le patron des chevaliers et des militaires.

François Lafon (1846-1920) est le fils du peintre Jacques-Émile Lafon (1817-1886), auprès duquel il se forme. Il fréquente également l’atelier d’Alexandre Cabanel. Il débute au Salon de 1875, rejoint Société Nationale des Beaux-Arts à partir de 1890 et reçoit de nombreuses commandes de l’État.

Cette Vierge à l’Enfant est l’une des deux sculptures commandées par le Conseil de Fabrique de Notre-Dame-des-Champs au moment de sa construction. Elle est présentée au Salon de 1877.

La Vierge a le regard tourné vers le ciel. Debout sur le globe terrestre, elle piétine un serpent. Elle porte l’Enfant Jésus dans ses bras et l’offre pour le monde, dans une gravité saisissante pour une jeune mère. Jésus tient dans ses mains la couronne d’épines, instrument de sa Passion future, celle qui le fera à la fois esclave des hommes et roi des cieux.

L’œuvre est d’Alfred Adolphe Lepère (1827-1903). Élève des plus grands sculpteurs de son temps, Jules Ramey et Auguste Dumont, et du peintre Charles Gleyre, il surpasse Jean-Baptiste Carpeaux et remporte le premier pris de Rome en 1852. Dès 1859, il participe aux Salons des artistes français et prend part aux expositions universelles de 1878 et de 1889. Il est aussi l’auteur du célèbre buste d’Eugène Delacroix qui se trouve devant la façade de l’Orangerie du jardin du Luxembourg.