La construction de l'église de Vertrieu débuta au 13e ou au 14e siècle. Celle-ci n'était au départ qu'une simple annexe de l'église de La Balme. De plan en croix latine et à nef unique, le chour et les chapelles latérales remontent à la fin du 15e siècle, comme l'indiquent les blasons des familles de La Balme et de Poisieu sculptés aux clefs de voûtes. Très mal entretenue, l'église fut en partie reconstruite en 1664 (plaque commémorative de la restauration apposée sur la façade principale) , et devint église paroissiale peu après 1654 (date de la visite pastorale). Plusieurs chantiers eurent lieu lors des siècles suivants. En 1777, les plafonds furent refaits et ornés de décorations stuquées par des ouvriers italiens. Antoine Colini réalisa en 1845 des travaux sur le plafond. La même année, l'église fut agrandie par l'architecte Jean-Baptiste Beaudrier. L'architecte V. Chaize s'occupa en 1896 de la réfection de la toiture. La tribune en bois surplombant l'entrée fut élevée en 1902 sur les plans des architectes M. et L. de Montclos.