Hom sol creure que la primera referència d’aquesta església és de l’any 978, en què el bisbe Vives de Barcelona va fer donació del castell de l’Aibà a Guitard Maruden, reservant-se entre altres coses la seva dominicatura anomenada Santes Creus, a la riba del Gaià. Aquest document presenta algunes característiques que fan sospitar que és apòcrif; per això l’esment segur més antic cal cercar-lo en la butlla del papa Anastasi IV adreçada a l’església de Tarragona l’any 1154, on consta que l’església de Santes Creus de Gaià, juntament amb la de Sant Pere de Gaià, formaven part de l’arxidiòcesi de Tarragona. A partir d’aquesta data ja no es tenen més notícies directes de l’església. Al lloc on era bastida o en un indret molt proper s’aixecà a partir del final del segle XII el monestir de Santes Creus, que prengué el nom de l’antiga advocació d’aquesta església.