La mise en place du vitrage suit les différentes campagne de construction. Dans le chœur, les six verrières du dernier tiers du 15e siècle représentent la Vie du Christ (baies 1, 5, 6) et de simples figures de saints (baies 2, 4) : seul saint Martin, patron de l’église, a le privilège d’avoir une verrière où sont relatés sa vie et ses miracles (baie 3). Parmi les scènes de la Vie du Christ, il faut noter l’iconographie originale développée dans la verrière du Grand Retour, thème déjà retenu pour une verrière posée vers 1470-1480 à l'église de Saint-Taurin d'Evreux (baie 6). Il ne s'agit pas de l'Ascension mais de la réalisation de la prophétie angélique qu'entendirent les témoins de l'Ascension : "Ce Jésus qui, du milieu de vous, a été enlevé dans le ciel, en reviendra de la même manière que vous l'y avez vu monter" (Actes des Apôtres, I, 10-11). De plus, tout un passage de la Légende dorée est consacrée aux marques indélébiles laissées par les pieds du Christ sur le lieu de sa montée au ciel. A ces comparaisons iconographiques entre les verrières des deux édifices, on peut ajouter certaine parenté stylistique entre le décor vitré de Saint-Taurin et celui du 15e de Vatteville-la-Rue. Ainsi, la ressemblance entre le visage du Christ du Grand Retour à Vatteville et celui du Christ de la verrière de la baie 5 (reg. centrale, lancette gauche) à Saint-Taurin est frappante. On retrouve aussi des caractères communs entre les verrières du peintre verrier Guillaume Barbe qui a travaillé à la cathédrale de Rouen à la même époque et celles de Vatteville. Dans les bras du transept, les verrières de la Vie de la Vierge (baie 7), de l'Enfance du Christ (baie 9) et de saint Jean-Baptiste (baie 10), réalisées vers 1530-1540, rappellent, par leur style, les ateliers qui ont travaillé à saint-Vincent de Rouen. Les verrières des baies 7 et 9 présentent de nombreuses analogies avec les verrières de la vie de sainte Anne et de son arbre généalogique (baies 2 et 4 remontée à l'église Sainte Jeanne d'Arc) tandis que la baie 10 s’inscrit davantage dans la suite des œuvres d'Engrand Le Prince, notamment avec la verrière consacrée au même saint (baie 5, église Sainte-Jeanne d'Arc). L'essentiel de la verrière originale de la baie 8 a disparu, sans doute à la suite de l’ouragan de 1876 : elle représentait l'Annonciation et la Nativité selon des modèles du 16e siècle proches de ceux adoptés dans les verrières de Duclair et de Montville comme en témoigne sa reconstitution réalisée vers 1885 pour la baie d'axe par le peintre-verrier rouennais Charles Simon. De cette verrière subsiste le tympan et les panneaux du soubassement offerts par Jean Fleury, originaire de Vatteville et maître de la caravelle "la Roumaine" qu'il a fait représenter et qui nous rappelle le passé maritime de Vatteville-la-Rue. En dehors des deux verrières de la nef (baie 14 et 16), consacrées à des figures de saints du 17e siècle, les autres sont réduites à des monogrammes du Christ, de la Vierge ou à des rondels. Dans la baie 20, les rondels du 17e siècle à l'effigie du Christ et de la Vierge sont réalisés d'après les mêmes cartons que ceux qui occupent la baie 10 de l'église Notre-Dame de Caudebec-en-Caux. En 1765, le décor vitré est très endommagé par un incendie. En 1873, Jules Boulanger restaure les baies 7, 9 et 10 avec la recommandation de reconstituer certains sujets dans le style des parties conservées. En 1922, l'ensemble du décor vitré est restauré, remis en plomb et protégé par des grillages. En 1935, Lafond mentionne au tympan de la baie 5 un fragment d’architecture du 14e siècle de la série des vitraux provenant de Jumièges qui a disparu depuis. Par mesure de sécurité, on dépose les verrières en 1938 au donjon de Niort où elles sont restaurées en 1941. En 1943, la verrière de la baie 14, très désorganisée, est envoyée à Paris pour être restaurée par le peintre verrier Ray. La repose a lieu en 1955. Le vitrage ancien est complété par des verrières de la fin du 19e et du 20e siècles. Pour la rose de la façade (baie 101) offerte en 1894 par le conseiller général Malfilâtre, Jules Boulanger a peint la vision miraculeuse de saint Eustache accompagnée de symboles de la chasse. Des vitreries géométriques, parfois ornées au tympan de soleils, d'écus armoriés (parmi lesquels ceux de Pie XII, de la Normandie, de Rouen, du Havre, de Caudebec-en-Caux,) ou de symboles maritimes du 20e siècle complètent ce décor (baies 13, 15, 17, 18, 21, 22, 25, 26).