La première mention du village de Charnay (''Carnacum'') est faite en 739, dans le testament du patrice<ref>Rang dans l'organisation du Bas-Empire romain.</ref> Abbon<ref>Abbon (vers 685-739) : dernier patrice de Provence, il est le fondateur de l'abbaye de la Novalaise en 726, à laquelle il laisse une grande partie de ses possessions à sa mort en 739. Son testament constitue une des premières sources sur l’économie rurale de la Bourgogne-Provence, et est une conséquence directe de la réorganisation administrative de la Bourgogne.</ref> (''In pago Matascense, Carnaco''<ref>Rigault, Jean, ''Dictionnaire topographique du département de la Saône-et-Loire'', 2008.</ref>). C’est en fait une zone de peuplement et d’activité bien plus ancienne, comme le suggèrent les objets antiques et les sépultures du haut Moyen Age retrouvés sur le territoire de la commune<ref>Guerreau, Alain, ''Notes d’observation sur l’église Sainte-Marie-Madeleine'', 2016.</ref>. Le toponyme de Charnay n’apparaît qu’au XIIIe siècle, pour finalement devenir Charnay-lès-Mâcon à la fin du XIXe siècle, afin de souligner la proximité de la ville avec celle de Mâcon, et afin d’éviter toute confusion avec les nombreuses autres villes communes du même nom.

Un premier édifice cultuel est mentionné vers 968 dans la charte 406 du cartulaire de Saint-Vincent de Mâcon : ''capella in honore sancti Petri dicata et in villa Carnaco sita''. Cette charte atteste de la donation de l’église Saint-Pierre (premier vocable) au prieuré Saint-Pierre-Hors-les-Murs<ref>L’histoire de ce prieuré est assez mal connue. Il semble avoir été détruit au XVe siècle. Pour avoir plus d’informations à son sujet, consulter l’ouvrage de Jean-Luc Tosi, ''Saint-Pierre-hors-les-murs'' (2016).</ref>. Ce dernier est alors vraisemblablement rattaché à la collégiale Saint-Pierre de Mâcon, de laquelle il tire son nom. L’église de Charnay est déjà à l’époque le centre d’une paroisse très vaste. Elle est également « cathédrante »<ref>Le diocèse de Mâcon compte alors sept églises cathédrantes : Saint-Vincent, Saint-Pierre et Saint-Etienne à Mâcon, ainsi que les églises de Flacé, Saint-Clément-lès-Mâcon (anciennement, aujourd’hui aujourd'hui quartier de Mâcon Sud) et Saint-Laurent.</ref>, c’est-à-dire que son curé <ref>Mr Rebuffet a dressé la liste des curés de la paroisse dans son ouvrage consacré aux édifices religieux de Charnay (références dans la bibliographie).</ref>doit assister l’évêque de Mâcon dans sa cathédrale lors des fêtes solennelles, sous peine d’amende s’il refuse. Le curé est alors à la nomination du prieur de Saint-Pierre-hors-les-Murs.

Ce qu’il advient de l’église dans les siècles qui suivent est incertain. On sait en tout cas qu’elle est ravagée et incendiée par les troupes protestantes vers 1567, dans le contexte des guerres de Religion. Les cloches de l’édifice sont enlevées et emmenées au château de Verneuil, qui est occupé par les protestants<ref>Panneau explicatif devant l’église.</ref>. L’église est dès lors fermée au culte, jusqu’à jusqu'à ce qu’une première grande restauration ait lieu en 1584<ref>Rebuffet</ref>. L’abandon du patronage de saint Pierre au profit de celui de sainte Marie-Madeleine pourrait dater de cette époque.

La reconstruction du clocher et de sa travée (détruits par les protestants) pourrait dater du tout début du XVIIe siècle, comme le laisse penser l’usage de laves pour la couverture de la pyramide. Le nouveau clocher est vraisemblablement une copie de l’original roman, bien que moins élancé<ref>Selon Alain Guerreau, le contexte général de pénurie suggère une reconstruction accélérée. Les trompes de support du clocher se trouvent dès lors plus en hauteur qu’à l’origine (habituellement, celles-ci se trouvent aux angles de la travée sous clocher). On a donc une configuration plutôt originale, qui, alliée aux marques d’outillages, attestent bien de cette reconstruction du clocher.</ref>. Vers 1625, la chapelle de Verneuil est construite au nord-ouest de l’édifice par Philippe Garnier, seigneur de Verneuil. Elle se tient à l’emplacement d’un caveau funéraire édifié par son prédécesseur au XVIe siècle. Vers 1640, c’est au tout de la chapelle Saint-Etienne -aujourd’hui aujourd'hui chapelle Sainte-Madeleine- d’être construite. Vers 1770, des fissures apparaissent dans les murs de la nef. Elles sont engendrées par la poussée de la voûte, accentuée par la lourde couverture en laves. Les contreforts qui flanquent l’édifice (à l’époque, deux contreforts sur chaque mur latéral<ref>Guerreau.</ref>) sont donc renforcés.

Au XIXe siècle, l’édifice est restauré et remanié plusieurs fois. Vers 1837, la toiture du clocher est refaite : un dôme de tuiles vernissées vient remplacer la pyramide en laves. Vers 1840, une chapelle est ajoutée au sud-est, et dédiée à la Vierge Marie. Vers 1852, l’église est agrandie vers l’ouest, grâce à l’ajout d’un narthex dont l’étage forme une tribune. Celle-ci est rendue accessible par la tour d’escalier accolée au nord. Ce narthex vient en fait remplacer un porche<ref>Rebuffet</ref> très vaste<ref>Guerreau</ref>, inhabituellement grand par rapport à ceux trouvés dans la région<ref>Selon Alain Guerreau, il s’agirait plutôt d’une « galonnière », et non d’un porche.</ref>. Il est l’œuvre de l’architecte Berthier. Des peintures murales sont également ajoutées à cette époque, mais il n’en reste rien aujourd’huiaujourd'hui.

De 1966 à 2002, le Père Rebuffet est le curé de Charnay. Il est particulièrement attentif à l’entretien et à la mise en valeur de l’église. Il est ainsi à l’initiative d’une restauration globale de l’édifice en 1970. En 1975, un orgue est acheté et installé dans la chapelle Sainte-Madeleine. En 1987, la cloche fêlée en 1918 en sonnant l’Armistice est refondue. En 1988, le dallage de la nef est repris, et des caveaux mortuaires sont ainsi mis au jour au nord du chœur<ref>Document de la mairie.</ref>. En 1991, le tympan du portail, laissé nu par l’architecte Berthier, est sculpté. On y voit dès lors le Christ en majesté, entouré des saints patrons successifs de l’édifice : saint Pierre (à droitegauche, avec la clef) et sainte Madeleine (à gauchedroite, avec son pot à onguents)<ref>Ibidem</ref>. Cette œuvre d’inspiration médiévale a été réalisée par Messieurs Griot (père et fils) à partir d’un dessin de Michel Bouillot<ref>Guerreau</ref>.