L’église est placée sous le vocable de Saint-Denis et dépendait à l’origine des moines de Tournus.
La première chapelle de Saysiriaco Bresia, futur Saint-Denis-lès-Bourg, doit remonter au Xe siècle. Elle a subi différentes retouches, car les spécialistes la font remonter au XIIIe siècle.
Ses dimensions et son emplacement correspondaient sans doute à l’abside actuelle à chevet plat à l’arrière du chœur.
La construction de la travée du chœur sous clocher est postérieure à celle de la chapelle citée plus haut ; en effet certains détails dans la maçonnerie en constituent une preuve : une date indique 1514, (dégagée lors de travaux de restauration) et le style des deux vitraux.
A cette époque, elle ne comportait que la partie rectangulaire de la nef principale et un clocher sur l'arrière.
1567 : deux chapelles furent rajoutées de chaque côté, mais notre église reste modeste ; le village est peu important, il ne compte qu'une centaine d'habitants.
1735 : on construit la sacristie avec un plafond à la française.
1763 : l'extension de douze pieds à l’avant du chœur sera suivie d’une autre extension de 8,40 m (à une date inconnue).
1793 : la Révolution gronde. La commune des Gaillards (c'est le nom que portait Saint-Denis sous la révolution) n'y échappe pas. L'église est interdite, on brûle les autels, les statues et les tableaux, les scellés sont apposés et le clocher doit être démoli.
Deux documents puisés dans les archives relatent les faits suivants.
An II 23 Pluviôse
L'agent national du district autorise le citoyen Rolland notable à Bourg, à se rendre dans le domaine de " l'infâme Duhamel " situé dans la commune de Saint-Denis, apposer des scellés sur les papiers, effets, meubles, et de séquestrer tous les biens, voir en même temps si on démolit le clocher, et faire annexer à Bourg les cloches, fers, cuivres, argenterie et autres ustensiles qui ont servi jusqu'à présent " à embêter le peuple imbécile nourri dans le fanatisme et la superstition ".
An II 24 Pluviôse
" Les citoyens Rolland et Canalle, en vertu d'une commission de l'agent national du district, viennent certifier l'état des démolitions ; ils constatent que les cloches et les objets du culte ont été envoyés à Bourg et que le clocher est démoli jusqu'à environ quatre pieds au-dessous du faîtage. Le maire, M. Roux, y a employé seize ouvriers le premier jour et sept le second ".
1843 : nouvelle extension de six mètres de la nef, ce qui a supposé la démolition d’une tribune existant sur l’entrée.
Entre 1865 et 1867, M. Chanut édifie la chapelle latérale sud dédiée à la Vierge Marie, puis la chapelle latérale nord dédiée à Saint-Denis.
On retrouve dans les archives municipales les livres de compte de la Fabrique depuis 1825. C’est la Fabrique qui a payé la construction des chapelles : 3 000 F à la pose de la couverture et le solde à l’achèvement des travaux. La chapelle sud a coûté 6 159 F et celle au nord 5 896 F (respectivement 12 300 et 6 000 €).
1873 : des personnes généreuses ont contribué pour trois cents francs à l'achat de l‘autel qui est dans la chapelle de la Sainte Vierge. Y figure la statue de Saint Bruno, sculptée en 1782 par Joseph Chinard.
Dans les années 1800, l'église fut fermée. Des mains sacrilèges avaient démoli le clocher, brûlé les autels, les statues et les tableaux.On avait même coupé la croix d’if aujourd’hui (1874) repoussée.
En séance du 13 août 1892, le conseil municipal décide de faire exécuter des travaux de réparation de la toiture de l'église jusqu'à concurrence de 150 F.
Quelques jours plus tard, une même décision est prise en faveur de la réfection de la toiture des bâtiments du presbytère endommagée par un incendie le 19 août de la même année.
1913 : construction du nouveau clocher. D'une hauteur de 36 m, il remplace celui détruit pendant la Révolution. Cette réalisation a été financée par M. Millon desservant de la paroisse.
Le 1er juin, la municipalité conduite par M. Nallet considérant " qu'un nouveau clocher ne s'impose pas mais que celui qui est projeté peut former un cachet de beauté à l'église actuelle ", accepte " que le clocher soit entièrement construit à ses frais, le conseil refusant toute participation si minime qu'elle soit dans la dépense qui en résultera. L'if en croix devant l'entrée devra être préservé ".
35 ans auparavant, en 1877, la municipalité avait refusé cette construction par manque de moyens.
1950 : inauguration de l'horloge du clocher, grâce aux donateurs de la commune.
1965 : restauration de l'église par décapage des murs intérieurs et extérieurs et découverte d'anciennes fenêtres et oeil de boeuf et démontage de la chaire.
1985 : restauration de la toiture et de électricité. L'électricité et l'éclairage de l'église ont été entièrement rénovés et adaptés par l'entreprise Maurice Buchaille. En guise de remerciements à la population et à la municipalité pour avoir soutenu ces deux réalisations, le comité paroissial organisait la fête de la lumière avec au programme une pièce d'orgue jouée par Pierre Moccozet, curé de la paroisse ; quelques chants sont dirigés avec Odile Ligny, Blaise La Rocca et Albert Dubois. Le crédo du paysan a été interprété en patois par Paul Darme.
1987 : restauration du clocher.
2018 : une capsule temporelle est installée dans le clocher. Cliquez pour tout savoir sur cet idée du conseil municipal des jeunes
2020 : En août, dans le cadre des travaux d'accessibilité pour les personnes à mobilité réduite, une place a été aménagée aux abords immédiats de l'église.
Au mois de décembre, suite à l'incendie du clocher de Saint Trivier de Courtes, le 1er mars, la mairie a fait réaliser une analyse technique de l'état du paratonnerre de notre église.
Grand bien en a valu puisque celui-ci était hors d'usage, les travaux ont donc été entrepris pour le remettre en état .