Un établissement monastique est signalé à Azé dès le VIe siècle, sous l'épiscopat de saint Aubin qui l'aurait visité et y aurait rendu la vue à un aveugle. Il n'en reste aucun vestige visible. Seigneurs d'Azé, les Mathefelon détiennent l'église Saint-Saturnin d'Azé au XIe siècle et en font donation, avant 1097, à l'abbaye Saint-Nicolas d'Angers. Les récents travaux d'Alain Valais ont mis en évidence les traces, dans le mur sud de la nef, de l'élévation de l'église de la fin du Xe siècle ou du début du XIe siècle, à travers deux petites fenêtres haut placées dont une seule est bien visible. Le portail à deux rouleaux à droite de la façade occidentale semble dater de cette même campagne. L'édifice devait alors se résumer, à peu de chose près, au vaisseau sud de la nef de l'église actuelle. En revanche, le curieux massif au centre de la façade, qui pourrait évoquer un clocher primitif, semble plutôt à rapprocher, dans sa mise en œuvre moins soignée, de la partie nord de la nef.

Suite à la donation, les moines de Saint-Nicolas fondent un prieuré à Azé près de l'église et transforment profondément l'édifice. Conservant l'ancienne nef, ils lui adjoignent un chevet échelonné formé d'un transept à absidioles orientées et d'un chœur en abside, datables de la 1ère moitié du XIIe siècle. Il subsiste dans l'absidiole sud des restes de peintures murales romanes, datées de la 2e moitié du XIIe siècle par l'analyse de Christian Davy. L'élément d'architecture le plus remarquable de cette campagne est le clocher positionné sur la croisée, caractérisé par ses baies géminées à colonnettes pourvues de chapiteaux sculptés et à archivoltes au décor typiquement roman. La flèche conique est une adjonction de l'époque moderne. Le soin bien moindre qui semble avoir été apporté à la mise en œuvre des absides laisse penser, peut-être, à des remaniements ultérieurs, mais la lecture des maçonneries est perturbée par la lourde restauration des enduits dans le 4e quart du XXe siècle.

Au cours d'une troisième campagne, dont la datation ne fait pas l'unanimité parmi les historiens, l'église est doublée d'une seconde nef au nord, qui entraine la destruction du mur nord de l'ancienne nef et d'une partie du bras nord du transept. Le raccord des deux nefs n'est pas très heureux, avec une façade occidentale peu gracieuse et une croupe qui masque en partie le clocher ; le dessin des portes est très irrégulier et sans finesse. Le mur oriental semble avoir été percé de diverses ouvertures non homogènes, en partie murées lors de l'installation du retable en 1634. Alain Valais propose de dater cette campagne du XIIIe siècle, ce qui semble cohérent au regard des deux portails en arc brisé (celui du mur nord est muré) à deux rouleaux et des étroites baies cintrées.

En 1643, le curé d'Azé Nicolas Girard commandite la construction de la chapelle nord de l'église, comme l'indique l'inscription sur l'agrafe de l'arc. On lui doit également l'installation du retable et du tabernacle du maître-autel et peut-être celle du retable visible dans le bras sud de l'ancien transept. A en croire le chronogramme inscrit sur le chaînage d'angle, la sacristie est ajoutée en 1779. Celle-ci vient en remplacer une autre qui était aménagée dans le chœur roman, d'après une pièce de procès au cours duquel les paroissiens contestent au prieur sa demande d'en faire sa chapelle priorale. D'après ce même document, un retable fermait cette ancienne sacristie, lequel est démoli en 1727 et remplacé par les deux petits retables actuels.

Enfin, il faut signaler le percement de fenêtres en plein cintre dans sur le mur sud de la nef et la façade occidentale, peut-être dans la 1ère moitié du XIXe siècle, puis d'une grande fenêtre néogothique sur le mur sud de la nef avant 1888 (date portée sur la verrière). Les vitraux sont signés Hucher et fils, de la fabrique du carmel du Mans. D'autres travaux sont signalés dans les archives contemporaines : réparations menées par l'architecte Rolland à la fin des années 1830 (charpente et de couverture par le maître-charpentier Clavreul et ferrures aux portes par Fleury aîné), travaux divers concernant notamment le lambris et le dallage en 1882, réfection de la flèche touchée par la foudre en 1926. Au cours du XXe siècle, à une date indéterminée, la séparation entre les deux nefs, auparavant faite de colonnes en bois et plâtre, est remplacée par des piliers carrés supportant des arcs cintrés.