L'intérieur du bâtiment est très représentatif du dernier gothique comtois La nef compte 3 travées et 6 chapelles distribuées de part et d'autre . Depuis 1948, l'église a le rang de basilique de par la présence en ses murs d'une petite statuette miraculeuse de la Vierge (dite Notre-Dame de Gray), et du coeur de Saint Pierre Fourier.
L'orgue date du XVIIIème siècle. La partie instrumentale, commencée par Claude Valentin en 1728 et achevée par RIEPP en 1752 à été remaniée en 1827-1834 par Callinet. Quand au magnifique buffet de bois sculpté, il est de Claude Chevenard. Ce sont donc des noms prestigieux qui gravitent autour de ce merveilleux instrument restauré.
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clôture de choeur
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groupe sculpté (grandeur nature) : Sépulcre
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chaire à prêcher
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plaque commémorative de la fondation d'une chapelle par Jehan Boutechou, secrétaire de Charles-Quint, et par ses fils, Hugues et Claude
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autel, retable (maître-autel)
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lambris de revêtement
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luminaire d'applique d'église
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tableau : Descente de Croix (La)
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calice
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statue : Saint Jean
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orgue de tribune : partie instrumentale de l'orgue
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orgue de tribune : buffet d'orgue
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clôture de choeur (table de communion)
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tableau : Remise du collier d'or par la Vierge à sainte Thérèse d'Avila (La)
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tableau, cadre : Vierge immaculée (La)
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statue (crucifix) : Christ en croix
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tableau : Saint Nicolas protégeant la Saône et la ville de Gray
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tableau : Saint François de Sales bénissant mère Sachot et mère Champrougier, Visitandines
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tableau : Annonciation (L')
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peinture monumentale : Sainte Reine et sainte Cyre avec à leurs pieds deux donatrices et leurs armoiries
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statue : Christ en croix
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statuette : Notre-Dame-de-Gray
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tableau ex-voto, cadre : Personnage priant Notre-Dame-de-Gray (Un)
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tableau : Descente de Croix (La)
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statuette : Saint Roch
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autel, retable, tableau : Annonciation (L')
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4 chandeliers d'autel
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tableau : Tempête sur le lac de Tibériade
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tableau : Ange et Tobie
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fonts baptismaux (cuve baptismale)
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orgue de tribune
