L’església parroquial del poble d’Alió és una de les documentades des de més antic al Camp de Tarragona, ja que és esmentada en la butlla que el papa Anastasi IV concedí a l’església de Tarragona el 1154. Tingué en un primer moment consideració de parròquia, però sembla que al segle XIII esdevingué sufragània de Sant Joan de Valls, segurament per la proximitat a aquesta població i pel reduït poblament d’Alió. Aquest fet explicaria que no aparegui en la relació d’esglésies que contribuïren a les dècimes papals de 1279-80.
L’església d’Alió fou erigida en vicaria perpètua de Valls el 17 de desembre de 1332, i al final del segle XV consta que era de presentació del rector de Valls. L’any 1579, l’arquebisbe Antonio Agustín segregà l’església de Santa Maria de Puigpelat de la parròquia de Vallmoll i la feu sufragània de la d’Alió. En aquest moment l’església de Sant Bartomeu d’Alió ja havia recuperat el seu caràcter parroquial.
El temple actual fou bastit durant el segle XVIII. La primera pedra fou beneïda el 29 d’abril de 1764 i pel desembre del 1769 la nova església s’obria al culte. Els altars dels segles XVII i XVIII que tenia foren destruïts el 1936.