La nef de l’église est du XIIe siècle, éclairée par des petites fenêtres en plein cintre, dont la seconde, au sud, est amortie par un linteau échancré. Cette nef fut en 1870 prolongée d’un tiers à l’ouest et sa façade fut reconstruite. Elle aboutit à une travée de la fin du XIIe siècle ou du XIIIe siècle, sise sous le clocher et voûtée sur croisée d’ogive et liernes, aux arêtes abattues par un chanfrein. Au sud de cette travée, la chapelle seigneuriale fut ajoutée au XVe siècle. En 1870, on ajouta au nord une chapelle à voûte semblable. Le chœur, voûté d’un berceau en arc brisé, est terminé par un chevet plat, ouvert d’une grande fenêtre à remplage flamboyant moderne.

L’église abrite un reliquaire contenant une relique attribuée à saint Martin, une peinture figurant une charité de saint Martin, une statue et un vitrail présentant saint Martin évêque.

Ce tableau est réalisé par P. de Mangou, en 1900. Il a été récupéré au début des années 1990 chez Melle Tonnelier, institutrice libre, après sa mort par Madame Baudichon qui l’a accroché dans le choeur de l’église Saint-Martin de Rilly-sur-Vienne, contre l’avis du père Calmet, le curé de la paroisse.

Saint Martin figure en soldat romain à cheval. Il est en train de couper son manteau avec son épée pour le donner au mendiant qui se tient debout devant lui, à demi-nu. Le cheval lève la jambe avant droite. La scène se déroule en hiver, le sol est recouvert de neige, et l’action semble se passer dans une porte de la ville d’Amiens.

Une verrière orne le chœur de l’église Saint-Martin de Rilly-sur-Vienne. La partie gauche a été donnée à la paroisse par Léon Habert, curé de la paroisse, en 1874, et la partie droite a été donnée à la paroisse par la famille Artault de Chevreau en 1876. La verrière est signée Fournier. Sur les quatre personnages représentés, seul le deuxième en partant de la gauche est nommé dans la banderole, saint Martin.

Saint Martin est représenté en évêque, nimbé et mitré, portant une chasuble rouge et une aube dorée. Il tient sa crosse dans la main gauche et une banderole dans la main droite sur laquelle est écrit : « HIC EST MARTINUS ELECTUS DEI PONTIFEX ».

Une statue de saint Martin évêque est disposée au-dessus de l’autel du transept gauche de l’église Saint-Martin de Rilly-sur-Vienne.

Saint Martin est représenté en évêque, mitré, portant une chasuble rouge, une dalmatique dorée et une aube bleue. Il fait le geste de bénédiction de la main droite.

L’église est inscrite sur la liste des Monuments Historiques par arrêté du 14 mars 1977 : PA00098038