Une chapelle dédiée à saint Martin est mentionnée à Massy dès 962, dans une charte de l’abbaye de Cluny : ''In Matiaco villa, capella in honore Sancti-Martini''<ref>Rigault</ref>. A cette date, la chapelle est donnée aux moines de Cluny par Adon, adjoint de l’évêque de Mâcon Théotelin (Théotelme). Cette donation vient compléter le don des terres quelques années auparavant. L’édifice actuel, entièrement roman (hormis la chapelle latérale), pourrait correspondre à cette chapelle primitive. L’usage du plein cintre (voûte et arcs), le décor primitif et les dimensions modestes de l’édifice tendent vers cette hypothèse. L’église est cependant vraisemblablement remaniée au début du XIe siècle (notamment le portail), et réapparaît en 1156 en tant qu’''Ecclesia de Macie'', toujours dans une charte de Cluny. Elle est déjà le centre de la paroisse, et à la collation de l’évêque de Mâcon, bien que l’abbaye ait la seigneurie des lieux. C’est un édifice de taille modeste, dont le plan est typique des petites églises rurales de la région : nef unique rectangulaire, travée sous clocher, abside. Elle présente toutefois un décor riche, témoin de l’importance des terres de Massy pour les moines de Cluny.

La date du changement de vocable en faveur de Saint-Denis est inconnue. L’église est en tout cas placée sous la protection du premier évêque de Paris, mort martyr au milieu du IIIe siècle<ref>Vers 250, saint Denis est envoyé en Gaule avec ses compagnons saint Rustique et saint Eleuthère, devient le premier évêque de Paris. Il est mis à mort sans doute sous la persécution de Valérien, vers 258. Selon la légende, on lui aurait coupé la tête, et il aurait ensuite marché de Montmartre jusqu’à Saint-Denis (où il est enterré à l’emplacement de la basilique) avec sa tête dans ses mains.[https://nominis.fr Nominis]</ref>. Ce changement s’opère vraisemblablement avant le XVIe siècle, puisqu’une statue du saint présente dans l’édifice date de cette époque. L’église est vraisemblablement peu remaniée au fil des siècles, à l’exception de l’ajout d’une chapelle au sud de la travée sous clocher, possiblement au XVe siècle, et d’un décor intérieur couvrant tout le chœur. A la fin du XVIIe siècle, l’édifice est visiblement restauré, et les baies latérales de l’abside sont agrandies, une visite pastorale de 1675 ayant fait été d’un chœur sombre. En 1708, la nef est lambrissée (plafonnée) afin de protéger les fidèles du froid. En 1746, alors que Claude-François Delucenay (originaire de La Vineuse) est curé, une autre visite pastorale est organisée. Son rapport décrit une église en bon état général, à l’exception du beffroi « qui menace ruine »<ref>Oursel, Anne-Marie et Raymond, Fiche d’inventaire départemental. </ref> et d’une partie du carrelage de la nef, fortement délabré.