Pirmąją bažnyčią Lioliuose pastatė ir aprūpino 1522 m. Mykolas Viekavičius. Kiek vėliau Stanevičius bažnyčios žemes padidino iki 12 valakų. XVI a. antrojoje pusėje – 1628 m. bažnyčią buvo pasisavinę evangelikai reformatai. 1748 m. minima sena bažnyčia. Prie jos tada veikė Švč. Mergelės Marijos Vaduotojos brolija.
1768 m. pastatyta nauja medinė bažnyčia. Jai 1820 m. priklausė Baltmiškio kaimas. 1841 m. parapijai priklausė 12 valakų ir 18 margų žemės. Lioliuose gyveno 2 kunigai (klebonas gaudavo 160 rb per metus). Bažnyčia 1851 m. restauruota, pastatytas bokštas. Ji buvo remontuota ir 1907–1909 m. (rūpinosi klebonas Aleksandras Požėla).
1908 m. įsteigtas Lietuvos katalikių moterų draugijos skyrius. Jis turėjo devocionalijų parduotuvę, vėliau arbatinę, senelių prieglaudą. Klebono J. Gerėlio (Lioliuose 1930–1940 m.) rūpesčiu bažnyčia remontuota, išmūryta šventoriaus tvora.