Le choeur est garni de vitraux qui datent principalement du début du XVIe siècle. Un ouragan ayant endommagé le vitrage de l'édifice début 1835, le maire de la ville fit venir de Toulouse le vitrier Sarraute, sans doute Charles Sarraute neveu, actif jusqu'en 1818 dans la cathédrale Saint-Étienne, qui proposa de les réparer pour 400 francs (délibérations du conseil municipal, 15 mars 1835, Arch. dép. Haute-Garonne, NUM AC 4510).
En l'état actuel -inchangé depuis la description de l''abbé Magre en 1888 - les panneaux anciens occupent quatre des baies du choeur. Les roses jumelles du fond de l'abside sont vitrées de deux scènes bien conservées, demeurées à leur emplacement d'origine (baies 1 et 2), tandis que les lancettes qui suivent de part et d'autre réunissent des sujets plus ou moins fragmentaires (baies 3 et 4). S'il ne remonte à la fin de l'Ancien Régime, leur regroupement peut résulter des travaux opérés par Sarraute, à supposer que son devis ait été suivi d'effet ; il peut aussi être un peu plus tardif puisque, les 5 février et 5 août 1838, à la veille de la consécration de l'église élargie de sa nouvelle nef, le conseil municipal évoque l'urgente restauration que nécessite le choeur (Arch. dép. Haute-Garonne, NUM AC 4511 textes communiqués par Mme Sourd). Sauf la représentation de saint Jacques le Majeur du XVIIe siècle intégrée au bas de la baie 4, les deux roses du chevet et tous les autres panneaux forment un groupe de style homogène, au coloris vif et à l'ornementation Renaissance. La réalisation de cet ensemble doit être située entre 1515 et 1520, et non en 1509 comme le stipule l'arrêté de son classement à partir d'une formulation de l'abbé Magre aussi mal interprétée que l'attribution à Arnaud de Moles qu'on lui impute (Magre, 1888, p. 13). L'Adoration des Mages de l'oculus méridional du choeur fournit du reste un terminus post quem : la composition est visiblement adaptée d'une gravure de Lucas de Leyde datée de 1513, modèle reconnu en 1979 par Robert Gavelle. Ces vitraux, sans rapports techniques ni stylistiques avec ceux de Sainte-Marie d'Auch, sont en revanche proches des vestiges plus ou moins contemporains conservés dans la chapelle Notre-Dame de Cahuzac de Gimont (Gers). Émile Mâle avait attribué cette production au charme populaire à l'un des multiples ateliers actifs à Toulouse au début du XVIe siècle. La découverte dans les archives notariales toulousaines d'un peintre verrier natif de L'Isle-en-Dodon, Jean Olivier, vendeur en 1472 de sa maison de la rue des Imaginaires (Corraze, 1936-1937), a alimenté les spéculations infondées quant au rôle que cet artiste ou ses homonymes des générations suivantes ont pu jouer dans le décor de l'église (Bayle, 2005).
Les panneaux du XVIe siècle regroupés avant 1840 en baies 3 et 4 peuvent être originaires de ces fenêtres elles-mêmes et de celles de la travée voisine (la baie 6 et celle qui lui fait face au nord, réduite vers 1836 puis bouchée en 1957). Le caractère fragmentaire des figures et de leurs encadrements ainsi que la diversité des thèmes traités ne laissent cependant rien deviner de leur répartition primitive. La figure de saint Jacques du XVIIe siècle, restée homogène, ornait probablement l'ancienne chapelle de la nef qu'entretenait la confrérie des pèlerins de Compostelle. Les vitraux réunis dans les fenêtres latérales portent bien entendu les stigmates de leur réadaptation, mais l'ensemble a subi peu de restaurations ultérieures. En baie 3, la facture de certaines pièces laisse deviner une réparation effectuée après 1950 sous la direction de Sylvain Stym-Popper, et, dans le cadre de la remise en état générale de l'édifice dirigée par Bernard Voinchet de 2009 à 2013, Pierre Rivière a restauré les deux roses du chevet. Une campagne antérieure avait été assurée vers 1897 par Louis Saint-Blancat, auteur entre 1887 et 1901 des verrières des collatéraux de la nef. Dans le bas-côté nord celles-ci représentent, d'est en ouest, saint Simon Stock recevant le saint scapulaire puis les Apparitions de la Vierge à Lourdes (1887), à La Salette (1899), et à Catherine Labouré (1900). En retour dans le bas-côté sud, le Mariage de la Vierge d'après Raphaël (1901) précède la Nativité (1901), la Fuite en Égypte, la Mort de saint Joseph et la Sainte Famille (1896). Le même atelier toulousain a signé en 1902 la grisaille ponctuée de médaillons à l'effigie des saints Jean et Vincent de Paul placée au sud du choeur (baie 6), et on lui doit également en 1923 les vitreries de l'étage supérieur de la nef.
