Pirmoji bažnyčia pastatyta iki 1430 m. Kernavės dvaro valdytoja Ona Kareivaitė-Mačkuvienė 1496 m. ją apdovanojo ir įsteigė altariją. 1508 m. bažnyčiai dar skyrė turtų. Per reformaciją netoli bažnyčios buvo pastatyta arijonų sektos koplyčia. Kurį laiką arijonai buvo užėmę ir bažnyčios beneficiją. 1522 m. bažnyčia atstatyta. 1655 m. ji sudegė, pastatyta laikina. Po 1674 m. buvo statoma nauja.
1739 m. pastatyta ąžuolinių rąstų bažnyčia (nugriauta 1933 m. ir pervežta į Krivonis, dabartinė Krivonių Šv. Antano Paduviečio bažnyčia). Nuo 1777 m. veikė parapinė mokykla. Kernavės parapija XIX a. buvo gerokai sulenkinta. Lietuviškas pamaldas 1900 m. pradėjo kunigas Viktoras Miškinis. Dabartinė mūrinė bažnyčia pastatyta 1910–1920, konsekruota 1925 m. Lenkija 1920 m. dalį Kernavės parapijos okupavo.
1930–1934 ir 1968–1979 m. čia klebonavo visuomenės veikėjas, rašytojas, lietuvybės skleidėjas Nikodemas Švogžlys-Milžinas (1899–1985), (suremontavo bažnyčią, parašė Kernavės istoriją, įkūrė muziejų, palaidotas šventoriuje). 1946 m. bolševikai nuteisė ir ištrėmė kleboną Zenoną Baužį (mirė kalėjime). Kleboną Kazimierą Pivariūną nuteisė 10 m. kalėti. Po 1979 m. klebonas monsinjoras Česlovas Krivaitis atnaujino bažnyčią, pastatė kleboniją, įrengė muziejų. 1985 m. pastatė Lietuvos krikščionybės 600 m. jubiliejaus paminklą.