El topònim Gratallops apareix citat el 1171 a les confrontacions de la vall de Porrera. El lloc de Gratallops podria haver estat en el seu origen una alqueria, com sembla revelar-ho el seu nom, de procedència àrab. Gratallops, però, que originàriament pertanyia al terme de la Morera de Montsant i fou de la senyoria d’Escaladei, no sembla que fou colonitzat fins al 1259 o almenys no hi ha cap notícia anterior a aquesta data, quan la cartoixa d’Escaladei va establir onze pobladors a la Cova del Pujó i a Gratallops. Es desconeix quan es bastí l’església de l’indret, però ja era construïda l’any 1319, en el moment que l’arquebisbe Ximeno Martines de Luna separà de l’església parroquial de la Morera del Montsant les esglésies de Torroja, Gratallops i la Vilella Alta. L’església de Gratallops passà a dependre a partir d’aleshores de l’església de Torroja. L’arquebisbe Sanço Lopes d’Ayerbe, el 4 de setembre de 1352, l’eregí en vicaria perpètua, mantenint encara la dependència de la matriu. El fet que el rector de Torroja continués participant de la primícia parroquial ocasionà diversos plets entre les dues parròquies fins al principi del segle XIX.
Al final del segle XV era de col·lació del prior de la cartoixa d’Escaladei.
El temple antic fou destruït per un llamp l’any 1432. Per tal de reconstruir-lo l’arquebisbe autoritzà els habitants de Gratallops de fer una capta per tot l’arquebisbat. L’any 1608 s’afegí al temple una sagristia.
L’edifici actual, segons l’inventari del 1924, es bastí entre els anys 1752 i 1760. El campanar es construí entre els anys 1762 i 1766. Els altars dels segles XVIII i XIX que contenia foren destruïts l’any 1936.