La chiesa fu eretta, fuori dall'abitato, dall'abate Teodorico fra l'870 e l'887 affinché Nonantola avesse una sua parrocchiale, e fu elevata in pieve nel 1011. Si è ipotizzato che l'odierno edificio risalga tra la fine dell' XI e gli inizi del XII sec.

Sul finire del Settecento subì forti alterazioni alle strutture romaniche, con l'interramento della cripta. Fra il 1916 e il 1924 si intrapresero restauri che all'esterno ripristinarono le tre absidi e all'interno il settore presbiteriale con le sei arcate impostate su pilastri.

Delle tre absidi sono originali, risalenti al XI secolo, quella centrale e l'altra meridionale, mentre quella settentrionale fu ricostruita durante i lavori di fine Settecento. L'abside centrale, maggiore, è percorsa alla sommità da arcatelle e, sottostante, una galleria cieca - non praticabile - a trifore, separate da lesene giganti; ciascuna trifora presenta due pilastrini con capitelli lapidei, che danno vita a un contrappunto cromatico del bianco della pietra con la tonalità calda del laterizio, secondo modalità di derivazione lombarda.