Leliūnų dvaro savininkas Juozas Pomarnackas 1788 m. pastatė medinę bažnyčią. 1793 m. įsteigta parapija, 1795 m. bažnyčiai dovanotas valakas žemės, vadinamos Starkiškiu. 1794 m. pradėtos rašyti metrikų knygos.
1867 m. leista pakeisti supuvusius bažnyčios sienojus, pristatyti 2 koplyčias. Inžinierius Nikolajus Andrejevas 1900 m. suprojektavo naują mūrinę bažnyčią (jos sąmatinė vertė 21 000 rublių). Leliūnuose 1899–1938 m. klebonavo kanauninkas Antanas Masaitis (1868–1938), (palaidotas šventoriuje). Jo rūpesčiu pastatyta dabartinė mūrinė bažnyčia.
1908 m. bažnyčia išdažyta, 1913 m. įrengti 21 registro vargonai (pagaminti Karaliaučiuje). Iš Leliūnų vargonininko Kazimiero Treinio muzikavimo įgūdžių yra gavęs žymus kompozitorius ir dirigentas Jonas Karosas (1890–1981).
1931 m., žaibui trenkus į bažnyčios bokštą, nukrito 3 varpai, iš jų 2 sudužo. Klebono Jono Gudonio rūpesčiu 1940 m. varpai perlieti. Per Antrąjį pasaulinį karą vienas varpas išvežtas. 1956–1982 m. klebonavo Petras Senulis (1909–1982), (palaidotas šventoriuje), 1946–1953 m. kalintas.