C'est au XIIIe siècle, sous le règne du puissant comte et seigneur Jean Ier de Chalon, que l'église actuelle est construite à l'emplacement de la chapelle. Elle abritera notamment quatorze tapisseries racontant la vie de saint Anatoile, réalisées entre 1502 et 1506 à Bruges. Volées à la Révolution, seules trois pièces ont été conservées et se trouvent aujourd'hui au musée du Louvre, à Paris.
La façade est remarquable, avec un portail roman en bois sculpté, encadré par deux chapelles gothiques du XVIe siècle et dotée d'un clocher massif, ancienne tour de défense rattachée à l'église en 1699, et reconstruite par l'architecte salinois Dufour en 1838 après l'incendie du .
Mobilier
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La partie instrumentale de l'orgue de la collégiale Saint-Anatoile a été construite par Joseph Merklin, de 1866 à 1880. Le buffet, reste de l'orgue précédent (1737), est l'œuvre du facteur Claude Moucherel. L'instrument, classé Monument Historique, a bénéficié d'une restauration le ramenant a son état de 1874, inaugurée le samedi 8 juin 2013 avec le concours de l'organiste Christian Bacheley.
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