Malgré une dévotion ancienne à Notre Dame, l'église de Chitenay est dédiée à Saint Denis, premier évêque de Paris. De l'église primitive on ne trouve que des traces de maçonnerie archaïque sur la façade, remontant au moins au 1 l ème siècle. Le portail a été refait au 13cme siècle. Elle dépendait de l'abbaye de Pontlevoy. L'église actuelle a été complètement transformée au 16cme siècle; elle comporte quatre travées, deux bas-côtés, éclairés par de grandes fenêtres de style flamboyant. Au dehors du côté sud les contreforts séparant les quatre pignons comportent des gargouilles à figures d'animaux chimériques. Le clocher, surmonté d'une fine flèche élancée, a été édifié de 1610 à 1625 par Michel Du Chesne, charpentier à Blois. Chitenay était une grande paroisse qui englobait alors le bourg de Cormeray.

Les pélérinages à Notre Dame de Chitenay attiraient beaucoup de personnes, venant pour implorer la guérison de fièvres très communes en Sologne à cette époque; ce qui explique la taille de l'église. D'importantes restaurations ont été faites en 1854 par l'architecte Jules de la Morandière, à qui on doit en particulier les voûtes d'ogives de la nef et du choeur.
A l'intérieur, beau tableau de l'Adoration des bergers, sous le clocher.