L'église Saint-Nicolas-Saint-Marc de Ville-d'Avray est l'une des rares églises construites sous la Révolution. La première pierre en fut posée le 11 juillet 1789 et l'édifice fut consacré en 1791 par un prêtre constitutionnel.
Historiquement, le bourg de Ville-d'Avray abritait un prieuré tenu par des moines célestins, seigneurs de la contrée. À ce prieuré était rattachée une ancienne église, érigée au XIIe siècle, dédiée à Saint-Nicolas, Le roi Louis XV acquit l'ensemble des domaines en 1747. Enfin, en 1784, Louis XVI fit de son valet de chambre, Marc-Antoine Thierry, baron de Ville-d'Avray. L'église du XIIe siècle étant très délabrée, celui-ci s'engagea à la reconstruire sur les bénéfices du Garde-Meuble dont il était l'intendant. L'ancien édifice fut détruit en 1791. En hommage au nouveau seigneur des domaines, l'église fut dédiée à saint Nicolas et à saint Marc. Les règles de la Révolution s'appliquaient : l'église devint aussitôt propriété de la commune. En 1793, elle fut transformée en temple de la Raison, puis rendue au culte en 1795.
L'édifice a été construit par Charles-François Darnaudin, architecte des Bâtiments du roi. Il est orienté nord-sud.
En 1968, pour le Dictionnaire des églises de France paru chez Robert Laffont, Michel Melot, conservateur au Cabinet des Estampes de la Bibliothèque nationale, décrit le style architectural de l'église : «L'architecte Charles-François Darnaudin y a déployé le plus pur goût de l'époque : grands murs nus à refends, volumes à angles vifs, voûte en berceau entièrement caissonée et fenêtres hautes étroites en pénétration dans la voûte. Cet édifice constitue un magnifique exemple du style de la fin du XVIIIe siècle.»
L'église a subi une première restauration en 1830, puis une deuxième, intérieure et extérieure, entre 1971 et 1993.
Même si elle est de taille modeste, Saint-Nicolas-Saint-Marc est très riche en d'œuvres d'art. Sa décoration intérieure a été en partie assurée par des artistes de renom qui séjournaient à Ville-d'Avray. Camille Corot y a peint quatre petites fresques sur les murs du transept. James Pradier a offert certains des plâtres créés pour ses œuvres en marbre. Quant au chœur, il ravira les amoureux du style classique. La coupole à caissons est portée par quatre pendentifs où l'artiste Armand Chambellan a peint les évangélistes en 1844. Sur la voûte en cul-de-four, hommes, femmes et enfants de toutes conditions adressent leurs prières à saint Nicolas. C'est aussi une œuvre d'Armand Chambellan.
Ville d'Avray n'est pas la ville la plus connue de l'Ouest parisien, pourtant la beauté de son église justifie une visite.