In origine era la chiesa del villaggio di Montiglio e venne menzionata per la prima volta nel X secolo come una delle 12 pievi medievali dipendenti dalla Diocesi di Vercelli. Di questa antichissima pieve non rimangono tracce apparenti e quanto resta oggi fu riedificato, secondo quanto attribuito dagli storici, tra l’XI e il XII secolo. Alla metà del Trecento la pieve era a capo di ben dieci chiese dei paesi vicini, dalle quali riceveva le decime che erano distribuite per un quarto ai poveri, un quarto alla diocesi, un quarto alla chiesa e un quarto al sacerdote titolare.
Tra la fine del Quattrocento e la fine del Cinquecento la pieve passò dalla diocesi di Vercelli a quella di Casale e perse il titolo di pieve e di chiesa parrocchiale.
Nel 1577 la chiesa rimase solo più cimiteriale e non più idonea alle funzioni parrocchiali, così il vescovo ordinò che se ne costruisse una nuova, più ampia dell’antica, ai piedi del castello.
Della chiesa originaria di San Lorenzo, a tre navate concluse da absidi semicircolari, connotata dai caratteri specifici del romanico del Monferrato, è conservato un disegno anteriore al 1783, ma nel 1778, a causa delle cattive condizioni di conservazione, iniziò un percorso di grandi trasformazioni: le due navate laterali vennero smontate e ricostruite in forma di cappelle e furono eliminate le absidi laterali. La facciata venne rifatta due volte, la prima all’inizio dell’Ottocento in forme neoclassiche ad opera dell’architetto Bossi, quindi demolita e ricostruita negli anni 1955-1959 nella forma attuale a salienti. Probabilmente dell’edificio originario si conservano unicamente la base dell’abside, l’arco di trionfo, la navata centrale con i pilastri cruciformi, gli splendidi capitelli e il cleristorio.