La plupart des vitraux datent de la grande restauration du début du XXe siècle.
- sobres vitraux décoratifs, réalisés de 1911 à 1913 par le peintre verrier et décorateur anglais Clement Heaton
- vitraux des fenêtres hautes de la nef, confectionnés par le peintre verrier Eduard Diekmann en 1908
- les vitraux du chœur et de la chapelle sud sont l'œuvre de Casimir Reymond et de Marcel Poncet (1938 et 1939)
Les vitraux du choeur illustrent:
- A gauche, les scènes de la vie de Jésus
- Au centre, les représentations de Pâques («Noli me tangere»), l'Ascension, la Pentecôte et le Christ en Majesté
- A droite, les scènes de la Passion
Les vitraux de la chapelle sud, illustrent
- La vie de saint Pierre et saint Paul, anciens patrons de l'église, surmontés des armoiries du prieuré (la clé et l'épée)
- Une représentation de la consécration des églises de Romainmôtier par le pape Etienne II en 753
- La bénédiction du mariage de Philibert de Savoie et de Marguerite d'Autriche en 1501
