L'église a été construite à la fin du 12e ou au début du 13e siècle, comme l'attestent le portail antérieur, les fenêtres du mur sud de la nef, le style des culots du choeur et des sculptures du clocher. Le bas-côté, dont un culot porte les armoiries de la famille de Loges, établie à Chailly en 1425, date du 15e siècle, de même que la porte latérale sud et les larges baies à remplage du choeur. La sacristie est une adjonction plus tardive, 16e ou 17e siècle ? Des travaux de réparation effectués en 1834 mentionnent une couverture en bardeau pour la flèche. En 1861, à la suite d'un legs fait à la paroisse, l'architecte dijonnais Degré établit un devis pour la restauration de la chapelle Saint-Barthélemy ; on lui préfère en 1862 un nouveau projet de Carrière, architecte à Pouilly, qui prévoit la construction d'une seconde chapelle pour agrandir l'église et rétablir la symétrie.