Autrefois placée sous le patronnage du prieuré Saint-Marcel de Chalon, cette église paroissiale passe pour avoir été construite à la fin du 13e siècle à l'initiative d'Agnès, fille du roi saint Louis et duchesse de Bourgogne, bien que son architecture renvoie plutôt à la limite des 12e et 13e siècles. La chapelle et la sacristie côté sud ont été construites en 1510 et agrandies en 1894. Le porche d'origine en charpente, remplacé en 1872 par un porche en pierre, a été rétabli dans ses anciennes dispositions en 1984. Le clocher a également subi des transformations : son toit à 4 pans qui avait été remplacé en 1894 par une flèche couverte en ardoise a retrouvé sa forme première en 1967 (Maurice Baldou, Histoire du village, les anciens habitants, curiosités, archéologie, 1956, p. 12-14 ; Fleurey-sur-Ouche, histoire et patrimoine. Fleurey-sur-Ouche, éd. HIPAF, 2007, p. 249-268 ; L'église de Fleurey-sur-Ouche dévoile ses trésors, Le Bien Public, 04/10/1997). L'intégralité des enduits intérieurs a été ôtée au milieu du 20e siècle, laissant depuis toute la maçonnerie apparente.