La chapelle de Treytorrens s’élève sur le site d'un lieu de culte attesté dès 1416. Elle comporte un clocher-arcade et une nef carrée, ainsi qu’un chœur rectangulaire, plus étroit. Celui-ci, voûté d'une croisée d'ogives, a été reconstruit vers le milieu du XVe siècle, peut-être par le maçon-architecte ou maître d’œuvre Jean de Lilaz (actif aussi à Moudon, Romont et Granges-près-Marnand). La reconstruction n’est pas encore achevée en 1463[1].
À la même date est attesté le vocable de saint Nicolas, puis, en 1513 est évoqué celui de Saint Jean-L'Évangéliste. Vers 1520, la façade principale reçoit un portail de style gothique flamboyant, cet aménagement étant peut-être lié à la fondation en 1516 d’un autel des Dix Mille Martyrs. L’inscription de l’une des deux cloches, datées toutes deux de 1526, se réfère justement à saint Acace, souvent associé aux Dix Mille Martyrs[2].
L'église a été analysée en 1898 par l'archéologue Albert Naef et restaurée jusqu’en 1907 par les architectes associés Adolphe Burnat et Paul Nicati[3]. Nouvelle restauration en 1996 par l’architecte Jean-Paul Crausaz[2].
La nef est couverte, à l’intérieur, d'un berceau cintré lambrissé reconstitué en 1907 en tenant compte de vestiges conservés. Des « chapelles baldaquins » occupent les angles de la nef, à proximité du chœur. De tels aménagements sont rares dans la région, on ne les trouve guère qu’à la chapelle de Loys à Granges-près-Marnand, et à l’église paroissiale de Payerne[1]. La chapelle sud-est, ainsi que le remplage de la fenêtre axiale ont été restitués à l’occasion de cette restauration de 1898-1907.
Un orgue construit par Jean-Marc Dumas facteur d’orgues à Romont, a été installé en 1960 et restauré en 2004[4].
L'église est répertoriée comme bien culturel suisse d'importance nationale[5].
En 1536, lors de la Réforme protestante, treize statuettes représentant le Christ et les apôtres auraient été données à la commune voisine de Franex, (fribourgeoise, donc catholique), afin de les sauver de la destruction[4].
