Pirmoji medinė bažnyčia buvo pastatyta atokiau nuo gyvenvietės, Strėvos kairiajame krante. Lietuvos didysis kunigaikštis Aleksandras Jogailaitis 1501 ir 1502 m. bažnyčiai skyrė fundaciją, 1506 m. klebonui leido laikyti smukles. Iki 1511 m. Semeliškių bažnyčia gaudavo dešimtinę iš Žiežmarių dvaro 1637 m. klebono jurisdikoje buvo 18 valstiečių šeimų.
1655 m. per karą su Rusija bažnyčia sudegė. 1664 m. atstatyta. 1699 m. vėl sudegė. Manoma, kad ji tais pačiais metais atstatyta. Apie 1770 m. pastatyta medinė prieglauda. Nuo 1777 m. veikė parapinė mokykla. 1782 m. bažnyčia buvo sunykusi, bet tebestovėjo. Greta senosios 1783 ar 1786 m. pastatyta nauja bažnyčia.
1868 m. Vilniaus gubernatorius pritarė stačiatikių dvasininkijos prašymui uždaryti bažnyčią ir joje įrengti cerkvę. Generalgubernatorius nesutiko. 1901 m. bažnyčia buvo sumenkusi. 1902 m. parengtas naujos mūrinės bažnyčios projektas. Valdžia statyti neleido. 1912 m. senoji medinė bažnyčia suremontuota. Ji garsėjo Šv. Roko atlaidais. 1905 m. kunigas Jonas Masiulis bažnyčioje pamokslus pradėjo sakyti lietuviškai.
Juozapas Būčys (1872–1946), (palaidotas šventoriuje), Semeliškėse klebonavęs nuo 1935 m., katekizavo tik lietuvių kalba. Vikaras Alfonsas Petraitis pastatė kleboniją, vikariją, parapijos salę. Kunigas J. Vaišnora su parapijiečiais 1949–1953 m. bažnyčią suremontavo.
Nuo 1977 iki 2002 m. parapijoje klebonavo kun. Romualdas Šalčiūnas. O šiuo metu Semelišių Šv. Lauryno bažnyčios klebonu paskirtas kun. Gintautas Antanas Jančiauskas.