La basilique du Sacré-Cœur, édifiée à la fin du XIe siècle, est un chef-d'œuvre de l'art roman bourguignon et le modèle le mieux conservé de l'architecture clunisienne. L'église actuelle, entreprise dans les dernières années du XIe siècle, fut édifiée en même temps que la grande abbatiale de Cluny III, dont elle reproduit le plan, en dimensions restreintes : un narthex encadré de deux tours en façade, une nef à trois travées flanquées de collatéraux, un transept saillant avec une chapelle à chaque croisillon, un chœur en hémicycle entouré d'un déambulatoire à trois chapelles rayonnantes; comme à Cluny, il est sensiblement plus étroit que le collatéral dont il forme le prolongement.

Après la mort de saint Hugues de Semur, en 1109, il semble que les travaux aient été suspendus et que l'on ait raccordé tant bien que mal la nouvelle nef avec un narthex préexistant du Xe siècle. La maladresse de ce raccord est encore visible : la nef et le narthex ne sont pas alignés et les grandes arcades de la première travée qui font la jonction entre la nef et le narthex sont visiblement déportées. Parmi d'autres vicissitudes, l'édifice fut endommagé en 1562 par l'incendie allumé lors du pillage de la ville. À la Révolution, les bâtiments du prieuré et de l'église, vendus comme biens nationaux, furent rachetés par la municipalité, qui les protégea des dépradations. Mais, devenue paroissiale en 1792, l'église ne tarda pas à se dégrader. En 1856, la restauration fut confiée à l'architecte Millet qui reprit en sous-œuvre le narthex et la tour du transept qui menaçaient de s'effondrer. En 1875, le pape Pie IX éleva l'église au rang de basilique mineure et la dédia au Sacré-Cœur de Jésus.

Sur le flanc sud de l'église, les bâtiments du prieuré ont été reconstruits au XVIIIe siècle par les soins de l'abbé de Bouillon, abbé commendataire de Cluny, tombé en disgrâce auprès de Louis XIV et exilé. Ce prélat grand seigneur fit de Paray une résidence agréable et son lieu de repos en été. Le cloître abrite aujourd'hui des expositions temporaires estivales et un jardin d'inspiration médiéval.