Aquesta església es trobava dins de l’antic terme del castell de Vilallonga, i posteriorment de la vila de Sant Martí Sesgueioles. Inicialment fou una capella de la parròquia de Sant Valentí de Vilallonga, per passar posteriorment a parròquia I tenir per sufragània l’antiga parroquial.
El lloc de Vilallonga apareix documentat l’any 1022, en el testament de Seguí, senyor del castell de Castellar, el qual deixà al seu fill Company la torre de Vilallonga. L’església apareix en un document de l’any 1068, en el qual Eriball i la seva muller Ermengarda vengueren al comte Ramon Berenguer I i a la seva muller Almodis diversos béns situats al terme de Vilallonga (Vila Loriga), i de la quadra. Entre aquests béns hi havia una peça de vinya que es trobava prop de Sant Martí, i unes cases que també eren situades a prop de Sant Martí, entre les quals hi havia la casa de Sant Martí.
Fins al segle XIV aquesta església degué ser sufragània o simple capella de la parròquia de Sant Valentí de Vilallonga. Però el creixement de la vila de Sant Martí Sesgueioles, fundada al final del segle XII o al començament del XIII, i el constant despoblament de la resta del terme del castell de Vilallonga, motivà que les funcions parroquials passessin a l’església de Sant Martí. Aquest canvi es degué produir durant el segle XIII, car l’any 1331 el bisbe de Vic, Galceran Sacosta, ja la visità com a parròquia, mentre que la de Sant Valentí de Vilallonga no apareix en cap més llista de parròquies, ni fou visitada per cap bisbe.
L’antiga església fou substituïda per una de nova el 1550, i només en resta el campanar, ja que entre els anys 1779 i 1783 es procedí a edificar una nova església al centre de la població.
Actualment aquest darrer temple continuà complint les funcions parroquials del poble de Sant Martí Sesgueioles, mentre que, del primitiu, no se’n sap l’emplaçament amb certesa, si bé sembla que podria ser el lloc conegut com les Vilases.