Hom ha suposat que aquesta antiga església parroquial fou construïda aprofitant la sala de la cúpula que es troba a l’interior del mausoleu constantinià de Centcelles.
Una primera menció del lloc de Centcelles figura en una escriptura de donació, considerada suspecta, feta l’any 888 al monestir de Ripoll per part del comte Guifré el Pilós. Segons cita el document textualment, el comte li donà “..in ipsa Marcha, iuxta civitatem Terragonam, locum quem vocant Centumcellas, cum miliarios IIII in giro, decimis et primiciis et cum exiis et regressiis suis et cum omni libertate”, és a dir, li cedí el lloc de Centcelles prop la ciutat de Tarragona, amb els delmes i primícies i un territori entorn seu. Per als historiadors R. d’Abadal i F. Udina, aquesta menció és una interpolació que devia ésser feta, segons Abadal, entorn el 982 i per a Udina al segle XII. En tot cas, es tracta d’un esment massa antic, puix que en aquell temps Centcelles, com també la ciutat de Tarragona, no eren encara territoris colonitzats ni tenien una organització político-administrativa. Tanmateix, el document en qüestió informa de la importància material i de la valoració del lloc de Centcelles en època medieval, on se sospita que es pretenia crear una comunitat monàstica o priorat dependent de Ripoll, cosa que s’ha afirmat sovint, si bé no n’hi ha cap constància documental.
Molt probablement, la vila de Centcelles medieval, que tingué terme propi i institucions municipals, fou colonitzada en les primeres dècades del segle XII, com la veïna vila de Constantí. Un dels primers esments documentals de l’església de Sent Seles data de l’any 1151, en un judici que tingué lloc davant del comte de Barcelona entre l’arquebisbe de Tarragona, Bernat Tort, i Guillem i Robert d’Aguiló, fills de Robert Bordet. Tres anys més tard, el 1154, l’ecclesiam de Centumcellis figura esmentada en la butlla de confirmació de béns de l’església de Tarragona, atorgada pel papa Anastasi IV a l’arquebisbe tarragoní Bernat Tort; així mateix, es torna a mencionaren la butlla de ratificació de béns i privilegis de l’església tarragonina que el papa Celestí III li concedí l’any 1194; en aquesta segona butlla papal figura sota la grafia d’ecclesiam de Centum sellis, al costat de l’església de Constantí.
En la relació de parròquies que contribuïren a la dècima col·lectada a l’arxidiòcesi els anys 1279 i 1280, hi consta que el rector de Centum Cellis pagà 37 sous i 3 diners el primer any mencionat, i 17 sous i 9 diners, el segon. D’altra banda, pel testament d’una dona de la Selva del Camp dita Francesca, muller de Francesc Arcs i datat el 1362, hom té notícia que entre d’altres moltes deixes a diverses esglésies de Tarragona, llegà a Sant Bartomeu de Centcelles dotze diners.
Després d’alguns segles de silenci documental, una interessant escriptura datada l’any 1760, donada a conèixer per S. Sabater en la seva Historia de la villa de Constanti publicada el 1888, informa que durant el segle XVI a la parròquia de Sant Bartomeu de Centcelles es realitzaven casaments, i que no es podien donar més notícies perquè la documentació anterior s’havia cremat. Molt probablement, en aquesta mateixa època l’església de Sant Bartomeu va patir àmplies reformes, com és el revestiment exterior de la cúpula, de planta octogonal, el teulat i el campanar. Posteriorment s’encalaria la cúpula i s’hi afegiria una cornisa. Segons l’historiador E. Morera, l’església parroquial de Sant Bartomeu va tenir funcions de culte fins a la darreria del segle XVIII.
A partir de mitjan segle XIX, un grup d’erudits locals, entre els quals cal mencionar Albiñana, Bofarull i Hernández Sanahuja, feren excavacions arqueològiques en aquest singular edifici romà, i fou el 1877 que casualment es van descobrir els importants mosaics a la cúpula.
El mausoleu tenia llavors la funció de casa de pagès, nou ús que va exigir una remodelació de l’espai interior; continuà tenint aquesta funció agrícola fins el 1958, i no fou fins el 1959 que un equip de l’Institut Arqueològic Alemany emprengué els treballs arqueològics i d’investigació i restauració del conjunt; aquests estudis portaren a datar el conjunt del mausoleu encara dempeus al segle IV. Durant les tasques d’excavació es van posar al descobert alguns elements d’època medieval, com tres petites cel·les, els murs de pedra seca i llindars de les quals encara són visibles. Així mateix, es van descobrir a la sala de la cúpula del mausoleu dos enterraments medievals, situats al sud i una llosa de marbre, al costat de la porta d’entrada, que sembla que podia haver estat una ara d’altar, probablement pertanyent a l’església de Sant Bartomeu.