D'après l'historien Rousset, l'ancienne église de Fay-en-Montagne, réparée en 1758 aux frais du curé de la paroisse M. Jousserandot, se composait d'un clocher, d'une nef, d'un chœur, d'un sanctuaire de forme rectangulaire, d'une chapelle à droite de la nef et d'une sacristie. Le plan ainsi décrit correspond à celui du cadastre dit napoléonien de 1836. Dès 1810, il est question de reconstruire le clocher et d'agrandir l'église : Rousset et le conseil de fabrique du 20 février 1839 (AD 39 - 9V3/150) confirment que le clocher date de 1812. En 1838-39, de nouveaux travaux sont projetés sur le clocher dont la solidité est menacée à la suite du percement de trois baies. Plusieurs projets sont proposés sans que l'on sache précisément s'ils ont abouti. Le 17 juin 1853, l'architecte de la ville de Lons-le-Saunier, Achille Paillot, est chargé de vérifier l'état de l'église afin de déterminer si l'édifice peut être réparé ou s'il doit être reconstruit. Il conclut que tout l'édifice, y compris le clocher, pourtant de "construction récente", est dans un mauvais état de conservation et doit être reconstruit. La question de l'emplacement de la nouvelle église est alors soulevée : un site plus central par rapport au village et dont l'accès serait moins pentu est envisagé, mais non suivi (un plan indique l'emplacement projeté, en face de la maison commune). Le 12 décembre 1859, l'adjudication des travaux de reconstruction de l'église, au même emplacement que la précédente et d’après le devis de l'architecte Paillot, est passée en faveur de l'entrepreneur Jean-Eléonore Marguet (AD 39 - 9V3/150). D'après les certificats d'avancement, les travaux se déroulent tout au long de l'année 1860 et se poursuivent en 1861. Une pierre de la façade principale, à droite du portail, porte d’ailleurs la date de 1860. Le procès-verbal de réception définitive des travaux est rédigé le 18 juin 1863. L'édifice a été rénové dans les années 1970. Plus récemment, la commune de Fay-en-Montagne a entrepris des travaux de restauration (2019-2020), en particulier au niveau de la toiture du clocher.