Au milieu du XIe siècle, entre 1063 et 1072, l’église de Saint-Vincent-des-Prés est rendue au chapitre de Saint-Vincent par Hugues de Vendenesse, dont la famille avait usurpé les biens des chanoines quelques temps auparavant<ref>Virey, Jean, ''Les églises romanes de l’ancien diocèse de Mâcon''.</ref>. C’est à cette époque qu’est construite l’église actuelle, entièrement romane, composée d’une nef avec bas-côtés, suivie d’un transept non-saillant et d’une abside. Au XIIe siècle, la construction primitive semble avoir été terminée, ou au moins restaurée : réfection de l’extérieur et notamment de la façade, reprise du clocher et de l’abside. L’édifice est dès lors dédié à saint Vincent, à la collation du chapitre de Saint-Vincent de Mâcon, et le centre de la paroisse de Saint-Vincent-des-Prés.

Dans les siècles qui suivent, l’église est visiblement peu remaniée. Elle fait vraisemblablement l’objet d’une décoration au XVe siècle, comme le suggèrent les vestiges de peintures murales découverts dans le transept nord. L’édifice est également couvert en lauzes à une date inconnue, et les baies sont agrandies. Au XIXe siècle, l’église est restaurée plusieurs fois, sans pour autant que son plan d’origine ne soit durement altéré. Vers 1823, des travaux d’entretien sont réalisés sous la direction de l’architecte Vaillant. De 1836 à 1837<ref>Oursel, Anne-Marie et Raymond, Fiche d’inventaire départemental.</ref>, une rénovation générale de l’édifice est menée par l’entrepreneur Jean Quarré, de la Vineuse, sur les plans de l’architecte Loron (fils). Le devis final s’élève à 1237.44 francs, et comprend la réfection des enduits (nef, chapelles, chœur), des badigeons et de la couverture du clocher, ainsi que la pose d’une croix de 28 kilos. C’est vraisemblablement de cette époque que date le décor de l’abside. En 1883, le cimetière qui entourait jusqu'alors l’église est déplacé en dehors du bourg, afin d’assainir les abords de l’église et le centre du village. C’est peut-être à cette époque qu’est construite la sacristie qui flanque le transept au sud. Elle n’apparaît en tout cas pas sur le cadastre de 1841.

Au début du XXe siècle, la commune prend conscience de la valeur patrimoniale et architecturale de l’église Saint-Vincent. En 1913, l’édifice est donc classé Monument Historique, et probablement restauré dans la foulée. En 1933, la mise en lumière de l’édifice est réalisée. Entre 1941 et 1944, les couvertures de l’église sont refaites. Entre 1993 et 1996, une restauration générale de l’église est menée sous la direction des Monuments Historiques. Ces travaux permettent notamment de mettre au jour la baie axiale de l’abside jusqu'alors murée et l’inscription d’un des chapiteaux, ainsi que de restaurer les peintures murales. En 1994, des fouilles archéologiques sont menées par Fabrice Henrion, à l’occasion de drainages périphériques. Les bases de l’abside d’un édifice primitif sont alors découvertes, désaxées par rapport à l’abside actuelle. Fabrice Henrion avance donc l’hypothèse d’un édifice primitif en bois (qui correspondrait à la chapelle mentionnée dans la charte 70 du cartulaire de Saint-Vincent), de taille modeste, dont l’abside était épaulée au sud et qui se prolonge à l'ouest par un mur récupéré. Seules les zones à l'Est de l'église conservent des témoignages de cette occupation antérieure<ref>Henrion, Fabrice, Responsable des fouilles.</ref>.

En 1999, c’est au tour du tabernacle du XVIIe siècle d’être entièrement restauré et remis en place sur le maître-autel, dans l’abside. Depuis cette époque, l’église est régulièrement entretenue et mise en valeur. En 2010, les plans de l’édifice ont été dressés par une équipe d’étudiants japonais du Kyoto Institute of Technology, sous la direction du professeur Masatsugu Nishida.