Desde fechas tempranas se encuentra vinculada a la Orden Militar del Temple, pese a que Sarrión pertenece a la Comunidad de Aldeas de Teruel; en 1248 se establece un compromiso entre los comendadores templarios de Villel y Alfambra y el Capítulo Eclesiástico de Teruel, por el que los diezmos y primicias de Sarrión se pagan de forma similar a los de Alfambra. En las Rationes de 1280 figura como perteneciente a esa orden. Tras la disolución de la Orden del Temple, pasará a manos de la Orden del Hospital, que seguirá pagando los diezmos y primicias con los mismos criterios establecidos en 1248, al menos hasta 1431. En 1364 la villa de Sarrión fue arrasada por los castellanos, dentro de la Guerra de los Dos Pedros, lo que supuso la destrucción parcial de la iglesia parroquial. Es por ello que este templo fue objeto de una importante reconstrucción en el último tercio del siglo XIV, en el curso de la cual se cambió su orientación.
Tras la construcción de la nueva parroquial, el edificio paso a desempeñar funciones de ermita, siendo objeto de múltiples reformas y ampliaciones. En la última Guerra Carlista fue volada la torre-campanario (11 de mayo de 1875).
En el emplazamiento que ocupa se detectó la presencia de cerámicas ibéricas y musulmanas, junto a materiales cristianos del siglo XIV en adelante.
- Estructuras de la fábrica original (siglo XIII). El edificio de esta primera fase sería una iglesia de tres naves, orientada este-oeste, con cabecera triple de planta cuadrangular (testero resto) y cubierta de madera, a dos aguas la nave central y a una las laterales. Se conserva la portada de sillería protogótica abierta mediante un arco ojival con tres arquivoltas, la central decorada con picos y la exterior con lóbulos y enmarcada por una moldura con la misma decoración. En ambos lados hay dos gabletes apuntados enmarcando sendos relieves muy deteriorados, y flanqueándolas dos pilastras, cada una en un extremo. Asociadas a esta estructura se encuentra el resto del muro de dicha fachada, el muro oriental que separa el actual templo de la sacristía y el muro septentrional. En las excavaciones arqueológicas aparecieron restos de la cimentación de cuatro pilares alargados y alineados de dos en dos en dirección este-oeste; también otros dos pequeños pilares cuadrados adosados a los muros norte-sur, la escalinata semicircular interior de la portada y los restos del Altar Mayor adosados al muro oriental y que mantenían una "pequeña cisterna funeraria" con reforma bajomedieval.
- Estructuras asociadas a la reconstrucción bajomedieval, posiblemente realizada en el último tercio del siglo XIV (tras la Guerra de los Pedros): arcos diafragma de sillería. Se reutilizarán gran parte de las estructuras, reduciendo el tamaño del templo y cambiando su orientación. Se ajustará al esquema de los templos de una sola nave con cubierta de madera a dos aguas sobre arcos diafragma.
- Estructuras asociadas a las reformas del último tercio del siglo XVI ("ME FECIT 1565"). Realce de la portada y arcos asociados a una nueva nave adosada en el lado del Evangelio. Posiblemente se construyó en ese momento una torre, que fue destruida en la última Guerra Carlista (1875).
- Estructuras vinculadas a las reformas acometidas durante el siglo XVIII: dicha reestructuración supuso la reducción de tamaño del templo, levantándose el actual muro occidental, lo que supuso la eliminación de la nave adosada en el lado del Evangelio.
- Contrafuertes de mampostería fechados en 1899 y que posiblemente se realizaron como consecuencia de los destrozos generados durante las Guerras Carlistas.
- Estructuras vinculadas a las restauraciones efectuadas en 1993-95. La estructura espacial ha variado sustancialmente a lo largo de la ocupación del enclave:
- Articulación espacial del siglo XIII al segundo tercio del siglo XIV. El edificio de esta primera fase sería una iglesia de tres naves, orientada este-oeste, con cabecera triple de planta cuadrangular (testeron resto) y cubierta de madera, a dos aguas la nave central y a una las laterales.
- Articulación espacial del tercer tercio del siglo XIV al tercer tercio del siglo XVI. Se ajustará al esquema de los templos de una sola nave con cubierta de madera a dos aguas sobre arcos diafragma.
- Articulación espacial tercer cuarto del siglo XVI al siglo XVIII. Similar al templo anterior, pero con una nave lateral en el lado del Evangelio y con una torre-campanario.
- Articulación espacial siglo XVIII al cuarto cuarto del siglo XIX. Similar a la anterior, pero eliminando la nave lateral del Evangelio.
- Articulación espacial cuarto cuarto del siglo XIX a finales siglo XX. Similar a la anterior, pero con contrafuertes laterales y sin torre.
La estratigrafía definida en las excavaciones arqueológicas desarrolladas en 1994 fue la siguiente:
- Nivel superficial: escombros y basuras que rellenaban el interior del edificio, que se asientan sobre el nivel de suelo más reciente.
- Nivel r: grueso nivel de rellenos con abundantes restos óseos descontextualizados y azulejos de la serie azul de Teruel del siglo XVI.
- Nivel a: amortiza un pequeño subterráneo junto al altar oriental. Está formado por materiales del siglo XIX.
- Nivel b: se realizó para elevar la cota del suelo del edificio del siglo XIII. Está formado por restos de construcción. Domina la cerámica de Teruel del siglo XIV con escasas muestras de cerámica del XV. Tan solo se conserva en la zona más próxima a la portada.
- Nivel c: Tierra marrón oscura, muy apelmazada, asociada a materiales de cronología musulmana e ibérica.
- Cantera de caliza.