Papilio bažnyčia minima 1553 m. Lietuvos vyriausiasis tribunolas 1719 m. svarstė bylą dėl kalvinų pasisavintos katalikų bažnyčios. Teismas nustatė, kad Papilio katalikų bažnyčia dar minima 1665 m., o 1690 m. atimta evangelikų reformatų. 1758 m. įsteigta parapija. Kunigo Simono Jakštavičiaus rūpesčiu 1764 m. medinė bažnyčia perstatyta. Ją 1777 m. apaštalų šv. Petro ir Povilo titulu konsekravo pavyskupis Feliksas Jonas Tovianskis. Bažnyčioje buvo 6 altoriai, prie jos – stulpinė varpinė su 3 varpais.
1764 m. pastatytas reguliariųjų atgailos kanauninkų vienuolynas (uždarytas 1832 m.). 1847 m. bažnyčia suremontuota, pristatyti 2 bokšteliai. 1848 m. pristatyta zakristija, išdažytas bažnyčios vidus. Klebono Eduardo Dambrausko iniciatyva bažnyčia vėl remontuota. 1893 m. parapijai priklausė 17 dešimtinių žemės. 1908 m. įsikūrė „Saulės“ draugijos skyrius, 1909 m. pradžioje įsteigęs mokyklą. 1910–1914 m. veikė Lietuvių katalikų blaivybės draugijos skyrius.
Prieš Pirmąjį pasaulinį karą suvežta statybinių medžiagų naujai bažnyčiai statyti. Po karo statyba rūpinosi klebonai Felicijonas Lialis, Feliksas Ereminas, Juozapas Bardišauskas. Pagal architekto Felikso Vizbaro projektą akmenų mūro bažnyčia su pertraukomis statyta nuo 1927 iki 1936 m. Ją 1936 m. rugsėjo 20 d. Nekaltosios Švč. Mergelės Marijos titulu konsekravo vyskupas Kazimieras Paltarokas. Klebonas J. Bardišauskas pastatė naują kleboniją, prieglaudą, mūrinį parapijos namą su sale ir scena.
1937 m. įkelti Vokietijoje nulieti 3 varpai. 1944 m. liepos pabaigoje sudegė klebonija ir ūkiniai pastatai, apgriauta bažnyčia. Po karo meistrai Povilas Sližys su Jokimu Ažubaliu sustiprino bažnyčios bokštą, P. Giedraitis sutaisė stogą. Klebonas J. Bardišauskas 1945 m. suimtas ir ištremtas (1952 m. žuvo stovykloje). Šventoriuje 1989 m. pastatytas jo paminklas.