La rareté des archives d'Ancien Régime se rapportant à l'église Saint-Martin d'Oigny-en-Valois ne permet pas d'en suivre l'évolution architecturale avec précision. Les chapiteaux à crochets du chœur, ornés de feuilles, plaident en faveur d'une construction effectuée à l'extrême fin du XIIe siècle ou au début du XIIIe siècle. À cette époque, l'édifice est probablement de forme rectangulaire et est constitué seulement d'un chœur et d'une nef. C'est ce que suggère l'observation de la façade, sur laquelle se détache encore nettement l'un des anciens contreforts sud de la nef, englobé aujourd'hui dans le mur ouest de l'unique bas-côté. Au début du XVIe siècle - d'après le tracé du remplage des baies et le style du panneau de vitrail conservé -, une chapelle consacrée à la Vierge, et probablement réservée à la famille seigneuriale, est édifiée contre le côté sud du chœur sur lequel elle ouvre par une arcade. Sa maçonnerie réutilise sans doute quelques éléments du mur détruit du chœur, comme semblent l'indiquer les traces de peinture rouge et ocre, représentant en particulier un décor en faux appareil, qu'on distingue à l'extérieur d'un des murs de la chapelle. Peu après, peut-être dans le deuxième quart du XVIe siècle, la nef est agrandie au sud par un bas-côté avec lequel elle communique par trois hautes arcades.

L'église a probablement été dotée d'une sacristie vers la fin de l'Ancien Régime (XVIIe ou XVIIIe siècle), puisque le desservant la mentionne en 1805, dans le questionnaire relatif à l'état de sa paroisse. Cette sacristie était alors située au nord du chœur, comme en témoignent le plan-masse du monument inclus dans le plan cadastral de 1835 et la porte murée qu'on remarque en faisant la visite extérieure de l'édifice.

Les réponses portées par le curé dans le document qui vient d'être cité montrent qu'au tout début du XIXe siècle, le gros œuvre de l'église est en assez bon état. Seule la couverture exige des réparations. Les délibérations du conseil municipal attestent qu'elle en reçoit à plusieurs reprises, ainsi que le clocher, dans le courant du XIXe siècle. En 1842, le conseil municipal propose en outre de faire construire un plafond au-dessus de la nef et du bas-côté, à la place "des vieilles planches qui y sont clouées et qui menacent ruine", modification qui est réalisée en 1844-1845.

Le 15 mai 1862, le conseil municipal constate non seulement la forte dégradation de la toiture, mais aussi la détérioration des "piliers" - sans doute les contreforts - situés au nord de l'édifice, ce qui contribue à faire pénétrer l'humidité dans l'église et surtout dans la sacristie qualifiée d'"inhabitable". La sacristie a donc été reconstruite au sud de la chapelle de la Vierge au cours de la décennie suivante, puisque le dessin d'un certain Barbier (?), daté du 19 avril 1872, la représente à son actuel emplacement (d'après un article publié dans le Bulletin municipal d'Oigny).

La Première Guerre mondiale endommage le monument. Il semblerait toutefois, à la lecture du devis descriptif dressé par l'architecte parisien Frédéric Bertrand, que la maçonnerie ait peu profondément souffert, à l'exception du mur de soutènement et de clôture du cimetière qui se révèle disloqué. Les principaux dégâts de l'église concernent surtout la toiture et le vitrage. Bien que les délibérations du conseil municipal ne contiennent pas de précisions sur la progression de la restauration de l'église, on peut la placer dans le courant des années 1920, décennie au cours de laquelle les bâtiments communaux ont été entièrement restaurés par la Société coopérative de Reconstruction d'Ancienville, Faverolles, Fleury et Oigny, sous la direction de l'architecte Frédéric Bertrand.

Le plafond du bas-côté sud a été remplacé dans la seconde moitié du XXe siècle par un lambris de couvrement. Et le plafond de la nef a été supprimé dans le premier quart du XXIe siècle, laissant apparaître les poutres qui soutiennent le plancher du comble.