L’église de style gothique flamboyant, classée au titre des monuments historiques en 1845, est édifiée entre 1420 et 1480. Elle remplace la chapelle d’un prieuré fondé au XIe siècle et dépendant de l’abbaye Sainte-Croix de Quimperlé. Un grand porche permet d’accueillir les pèlerins. À l’arrière, la massive tour carrée était à l’origine surmontée d’une flèche gothique, détruite par la foudre en 1808, puis remplacée par une simple toiture.
L’intérieur, très harmonieux, est couvert de voûtes d’ogives ornées d’hermines et de fleurs de lys. La maîtresse vitre, mise en place en 1480, illustre la Passion du Christ. À gauche du chœur se trouve le retable du Rosaire daté du XVIIe siècle. La chaire à prêcher polychrome, datée de 1707, raconte l’histoire de saint Ronan. À droite de l’église, la chapelle du Penity abrite le cénotaphe, tombeau vide, de saint Ronan. Ce remarquable ensemble a été édifié notamment grâce aux dons des ducs de Bretagne qui s’y rendaient en pèlerinage dans l’espoir de voir leur lignée se poursuivre. En 1505, Anne de Bretagne, alors reine de France, est venue à Locronan et a accordé à la cité le titre de ville.