El nom de Sarrià aparegué per primera vegada en un document de l’any 986. Es tractava d’una venda “en el terme de Sirriano”. L’església de Sant Vicenç surt esmentada l’any següent en el testament sagramental de Moció, el qual mana que es vengui el terreny al costat de l’església.
Sarrià pertanyia al territori de Barcelona. La seva extensió era el doble de l’actual, ja que englobava moltes partides que posteriorment es convertiren en parròquies i, més tard, esdevindrien barris de la ciutat: Pedralbes, les Corts i Sant Gervasi de Cassoles.
A partir del segle XI les cites són cada cop més freqüents, i apareixen sobretot en documents de compra-venda. L’any 1046, el comte Ramon Berenguer fa donació de l’església de Sant Vicenç de Sarrià a la seu de Barcelona, la canonja de la qual obtindrà, a partir d’aleshores, els censos i delmes corresponents, confirmats en la butlla signada a Letran pel papa Pasqual II.
Així doncs, d’ençà del 1104 els canonges exerciren drets feudals sobre els parroquians de Sarrià, però les primícies i un terç dels delmes serien concedits a la mateixa església segons consta en la consagració de l’església el 1147. Durant els anys següents, Sant Vicenç de Sarrià va adquirint més terreny a conseqüència de donacions, vendes o permutes, que van configurant el caràcter de vila; a més, rep els privilegis d’exempció de pagar delmes als barcelonins i de poder tenir batlle (1267), concedits per Jaume I, i el privilegi atorgat l’any 1283 per Pere II pel qual Sarrià passa a mans del Consell de Cent i per tant, dins la jurisdicció de Barcelona, segons consta en el Recognoverunt Proceres.
A la primeria del segle XIV comencem a tenir notícies de les visites que el bisbe de Barcelona feia periòdicament a la parròquia i que es perllongaren al llarg de molts segles. En aquests llibres de visita consten els altars que s’hi van anar construint: segle XIV, Santa Maria, Sant Miquel, Sants Pere i Andreu, Sants Jaume i Joan; segle XV Sants Antoni i Llorenç, Sant Sebastià; segle XVI Verge del Roser (retaule d’Agustí Pujol), Sant Onofre i Sants Quirze i Julita.
La fundació del Monestir de Pedralbes comporta un nou canvi per als sarrianencs: l’any 1334 el bisbe lliura al monestir tots els drets sinodals i espirituals que redituava Sant Vicenç; infinitat de censos i unes setanta cases de pagès, els habitants de les quals prestaven la cerimònia d’homenatge com a vassalls de l’abadessa uns anys més tard.
A la darreria del segle XIV tots els parroquians decidiren col·laborar en la reedificació de l’església, ja que es trobava en un estat ruïnós. La nova església, probablement d’estil gòtic, s’anirà enriquint al llarg dels segles amb altars construïts per beneficiaris, una creu parroquial d’argent, nous orgues i el retaule de Sant Vicenç fet per Jaume Huguet (ell l’havia acabat el 1492, en morir, i van ser Jaume i Pau Vergós qui ho feren el 1500. Ara és conservat en el Museu d’Art de Catalunya).
Sarrià viu, més tard, hores tràgiques en la història de Catalunya: l’incendi de la vila durant la guerra civil del 1462 i el 1697. Les tropes borbòniques de Felip V van establir el seu campament a Sarrià durant el setge a Barcelona el 1713 i l’església va ser l’escenari de casaments de soldats estrangers i dels bateigs de llurs fills.
Al final del segle XVIII, els veïns de Sarrià es tornen a reunir per a demanar llicència per a l’ampliació de l’església, segons el projecte de l’arquitecte Josep Mas. L’edifici construït segueix les característiques neoclàssiques pròpies de l’època: nau única, capelles laterals i creuer cobert amb cúpula.
Però l’església patirà un nou incendi important l’any 1936, que va deixar molt malmès el temple. En acabar la guerra, el pintor Josep Obiols pintà tot l’absis al fresc.