L'église de Valennes est un assemblage complexe d'éléments d'époques différentes, encore bien difficiles à dater avec certitude. Un relevé du plan réalisé à l'occasion de l'étude d'inventaire confirme la multiplicité des campagnes de construction, dont résulte l'irrégularité extrême de l'édifice. Seule la nef, dernier élément construit, est de plan parfaitement rectangulaire, mais elle rompt complètement avec la symétrie de l'église. Une campagne de dendrochronologie a été menée sur la nef et le transept, permettant de lever les doutes sur leur datation.

L'église médiévale (XIe-XVe siècles)

Les parties les plus anciennes de l'église, romanes, peuvent dater du XIe siècle : il s'agit de l'abside semi-circulaire, bien que remaniée par la suite, ainsi qu'un pan de mur, avec deux baies étroites à encadrement de grison, visible au pied du pignon sud du transept actuel : son emplacement très éloigné du chœur semble indiquer qu'il n'appartenait peut-être primitivement pas à l'église mais à un bâtiment contigu (?). Ainsi, l'église fut peut-être antérieure à la création de la paroisse, qui n'apparait dans les textes qu'au XIIIe siècle. Certains auteurs pensent qu'il s'agissait peut-être à l'origine d'une simple chapelle fondée par les moines de Saint-Calais qui défrichèrent les abords de la Braye, mais aucune preuve ne permet de l'affirmer.

Dans un deuxième temps, l'abside romane est flanquée de deux chapelles. A droite, la chapelle Sainte-Barbe est souvent attribuée à la famille de Valennes, mais il n'existe aucune preuve. Les armoiries portées à la clé de voûte, qui se rapportent sans doute plus aux Arma Christi, les instruments de la Passion du Christ, qu'à une famille noble du secteur, ne plaident pas en cette faveur. A gauche, la chapelle seigneuriale de la famille de Saint-Quentin, comme l'indiquent leurs armoiries (on trouve également celles de la famille de Coutance qui lui succéda), est dédiée à la Vierge. Si la chapelle Sainte-Barbe peut être datée du XVe siècle, la similitude de celle de la Vierge pourrait indiquer qu'elle est contemporaine, avec toutefois un "rhabillage" intérieur complet au cours du XVIe siècle, peut-être à l'occasion des funérailles de Mathurin (1536) ou de Marin (1558) de Saint-Quentin, dont les dalles funéraires sont incluses dans le mur sud (elles se trouvaient au sol avant la mise en place de l'autel actuel en 1840). Quant à l'espace du chœur qui articule l'abside et les deux chapelles, on peut supposer qu'il fut également ajouté au XVe siècle.

Les agrandissements de la Renaissance (1ère moitié du XVIe siècle)

Au début du XVIe siècle, on lance la construction d'un vaste vaisseau perpendiculaire au chœur et aux chapelles, peut-être à l'emplacement de la nef romane. Probablement par souci d'économie, il fut assis au sud sur un pan de mur roman existant, ce qui explique qu'il soit plus long au sud qu'au nord. La dendrochronologie révèle que la partie sud fut élevée en 1504-1505d, la partie nord entre 1508 et 1514d. Ce "transept", plus important que la nef actuelle, fut peut-être à l'origine pensé pour être une nef, dont la largeur hors du commun s'expliquerait par la nécessité d'inclure les deux chapelles déjà existantes. Le lambris a été posé ou refait en 1603 comme l'indique la date portée.

La dendrochronologie a permis de dater la charpente de la nef de l'automne-hiver 1542-1543d. De proportions très différentes, elle se raccorde plutôt mal au "transept" et son important désaxement en trouve pas encore d'explication : est-il lié à la pente du terrain, au passage de la route ou à l'instabilité du sol ? Peut-être encore avait-on projeté de reconstruire l'intégralité de l'église mais que, faute de moyens, on se résolut à conserver le chœur roman malgré son désaxement par rapport aux parties neuves...

Les aménagements du XVIIIe siècle et la vente comme bien national

En 1743, l'église fait l'objet de travaux relatés dans les registres paroissiaux : le clocher est refait à neuf, les bancs sont renouvelés et un nouvel autel avec retable (vraisemblablement celui aujourd'hui visible dans la chapelle des fonts baptismaux), commandé par le curé Sorin, est fourni par le tailleur de pierre Gautier. En 1749 et 1753, deux nouvelles cloches sont bénies. En 1770, les chapelles latérales sont pourvues de nouveaux autels.

A la Révolution, l'église de Valennes est saisie comme bien national et vendue le 1er août 1796 à un certain Jean Blanchet cultivateur. Moins d'un mois plus tard, celui-ci la cède à cinquante habitants de Valennes, mais l'acte n'est semble-t-il pas enregistré. En 1808, la commune venant d'être érigée en succursale , la municipalité réclame la restitution de son église : toujours propriétaire, Jean Blanchet, n'ayant pas payé l'intégralité du prix, se voit déchu de son acquisition. L'église devient alors communale et sert pendant quelques années aux réunions du conseil municipal.

Les restaurations des XIXe et XXe siècles

Plusieurs campagnes de restauration se succèdent aux XIXe et XXe siècles : la majorité des interventions concerne la flèche très soumise aux intempéries (1817, 1876, 1882, 1933). En 1845, une nouvelle cloche vient remplacer celle de 1753, envoyée à la fonte à la Révolution. En 1846, l'église est dite en bon état mais insuffisante pour accueillir l'ensemble de la population : la construction d'une tribune est en projet. Entre 1858 et 1860, le curé Arthuis et la fabrique font placer un nouveau maître-autel, le carrelage et la grille du chœur, les vitraux (par le peintre Jaffard du Mans), la tribune et la nouvelle bancellerie. Le chœur reçoit un décor peint de style néo-gothique. On fait également construire l'escalier d'accès au clocher, en remplacement d'une grande échelle qui occupait le centre de la nef. Vers la même époque, on procède au déblaiement des abords de l'église pour l'assainir et faciliter son accès, le niveau du sol étant alors beaucoup plus élevé qu'aujourd'hui à cause de l'ancien cimetière (on enlève jusqu'à trois mètres de terre du côté sud). En 1865, une nouvelle sacristie est édifiée à la place d'une plus petite accolée à la chapelle de la Vierge, dont une baie est rouverte.

La couverture est également remise en état à plusieurs reprises (1933, 1959, 1986). Surtout, une importante restauration est décidée par la municipalité en 1999 et menée à bien en plusieurs tranches, jusqu'en 2007. A cette occasion, les vitraux sont rénovés, la sacristie est détruite et la toiture est restituée dans son état d'origine : en effet, un toit à longs pans et à croupes avait été ajouté au-dessus du transept, du chœur et des chapelles, sans doute à la période moderne suite à des infiltrations au niveau du chéneau. Jugé disgracieux et donnant un aspect trapu à l'église, il a été totalement supprimé. Une ferme de la charpente de la nef est partiellement refaite et porte la signature et le blason d'un compagnon charpentier. Les maçonneries sont également reprises à plusieurs endroits, notamment au niveau des fenêtres et des pignons.