Elle est mentionnée en 862 dans une chronique relatant la translation des reliques de saint Urbain et saint Tiburce, de Rome à Auxerre. L’église semble avoir une fonction baptismale au Moyen-Age. Flanquée d’un clocher au nord et dépourvue de transept, la nef est flanquée de chapelles latérales et d’autels : chapelle des Trois-Rois (ou Sainte-Anne) appartenant à la famille de Raze, chapelle saint Georges, à la famille de Château-Rouillaud, autels dédiés à saint Grégoire, saint Christophe, Notre-Dame de Pitié, saint Nicolas, saint Antoine et saint Joseph. D’après un témoignage relevé dans le recueil manuscrit Les églises de Salins, " les murs étaient d’une épaisseur énorme et avaient supporté deux voûtes placées l’une sur l’autre à cinq ou six pieds d’intervalle, comme dans l’église de Sainte-Madelaine de Besançon ". Dans Histoire de Salins-les-Bains, publiée par Jean-Baptiste Béchet en 1828, le sanctuaire était " monté sur une tribune ".

L’inventaire dressé en 1790 précise que le curé desservant de la paroisse est Hugues Magnin et que, parmi les " neuf statues représentant différents saints, il y en a plusieurs qui appartiennent aux différentes confréries établies dans cette église ". Elle est alors en mauvais état et menace ruine : le fer du grand vitrail est vendu au poids et le dallage est utilisé pour réparer celui de Notre-Dame, et les bassins des fontaines. Selon un rapport de février 1796, " l’intérieur est dans un tel état de délabrement à cause des fouilles faites par les salpêtriers qu’il n’est plus possible d’en tirer aucun parti. Toute la partie de la charpente et toiture en petits bardeaux de sapin sur la chapelle du côté du cimetière du haut est tombée par l’effet de la pourriture, que le surplus de la couverture en tuile ainsi que la charpente a aussi périclité ". Suite à l’effondrement de la voûte de la chapelle en mars 1796, Denis François Dez, architecte contrôleur des bâtiments de la commune, et Gagneur, ingénieur de l’arrondissement, proposent de " démolir promptement, vendre les matériaux abandonner l’emplacement à la commune ". Le jeu d’orgues et le buffet de l’instrument sont vendus à Charles Chazeaux pour 2900 livres. L’église est démolie à partir de 1796, puis de 1811 à 1815. Les sondages archéologiques réalisés en 1981 et 1982 mettent au jour des vestiges du mur nord et du chevet, des sépultures et un bénitier daté 1583 (entré dans les collections de la ville).