D’après Louis Graves (1843), une cure, sous le titre de Saint-Pierre, aurait existé avant le XIIe siècle, période d’implantation d’un prieuré dépendant de Breteuil. Une bulle du pape Léon IX datée de 1049 et retranscrite dans l’église sur un pilier entre la nef et le transept le confirme. Elle cite en effet "ecclesiae et altaris Sancti Petri de Bonolio" en confirmant les revenus que l’abbaye de Breteuil détenait alors sur l’église de Bonneuil. Gilduin, comte de Breteuil a en effet cédé la troisième partie de cette église à l’abbaye de Breteuil.    

À sa création au XIIe siècle, le prieuré intègre alors l’édifice et lui donne le nom de Saint-Nicolas. L’acte daté de 1119 de l’évêque Pierre de Beauvais retranscrit dans la nef cite les "chanoines de Saint-Nicolas" ("Canonicis Sancti Nicolai de Bonolio") ce qui semble confirmer la présence d’un établissement dont les religieux dits "chanoines" appliquaient la règle de saint Augustin. Dans le Pouillé de 1320 (registre dénombrant les bénéfices ecclésiastiques), "ecclesia de bonolio le plessiez" est bien rattachée au prieur de Bonneuil. Un édifice existait déjà au XIIe siècle comme le signale la présence d’une frise ornée d’étoiles sur la façade occidentale. Le service paroissial est exercé par le prieur mais se tient sur un autel distinct de celui du prieuré.

Le chœur semble être reconstruit au XIIIe siècle. Terminé par un chevet plat, il en subsiste aujourd’hui la travée sur laquelle est édifié le clocher, lequel conserve lui aussi sa structure médiévale. Cette travée est voûtée d’ogives et délimitée par des grandes arcades brisées.

L’église connait de grosses modifications à la fin du XVe et au XVIe siècles avec la construction d’un massif oriental à deux chœurs et une chapelle. Comme dans la plupart des paroisses voisines relevant de l’abbaye de Breteuil (Villers-Vicomte, Esquennoy ou Saint-André-Farivillers), c’est une architecture à la limite des styles gothique flamboyant et Renaissance qui est mise en œuvre.

La chapelle de la Madeleine est tout d’abord construite au nord. Elle intègre dans ses baies un vocabulaire propre au gothique flamboyant avec un réseau de soufflets et mouchettes dans le remplage des baies. Au centre, le sanctuaire principal dit Saint-Nicolas est ensuite prolongé par un chœur polygonal dont les voûtes reposent sur des culots sculptés ; enfin, le chœur Notre-Dame dédié au service paroissial est édifié au sud et achevé en 1553 comme l’indique une date gravée à l’extérieur sur l’un des contreforts. Cette partie de l’édifice est voûtée d’ogives à liernes dont les croisées sont ornées de clés pendantes figurées. Elle emploie le répertoire de la Renaissance : le dessin de la rosace, la forme ovoïde du remplage des baies, les voûtes retombant en pénétration, les chapiteaux cannelés de la première travée. À l’extérieur, la tourelle d’escalier surmontée d’une frise à pilastres cannelés, les contreforts à fronton triangulaire et la travée dont la partie au-dessus de la rosace est ornée d’un bandeau de coquilles, convoquent également le répertoire de la Renaissance. Un cartouche au-dessus de la porte de la tourelle d’accès au clocher indique la date de 1570.

La nef semble conserver sa forme originelle mais les différents remaniements qu’elle a connus à partir du XVIe siècle rendent difficile la lecture des parties anciennes. Le portail de la façade occidentale en anse de panier est caractéristique de la seconde moitié du XVIe ou du début du XVIIe siècle.

D’après Louis Graves, l’élévation septentrionale de la chapelle de la Madeleine est réédifiée en 1747. La sacristie semble contemporaine de ce chantier car sa construction a fait disparaitre le support du dais architecturé visible aujourd’hui contre le contrefort.

Certainement après la Révolution et la fermeture du prieuré, la porte qui permettait d’accéder directement à l’église depuis ce dernier est comblée. Son encadrement est toujours visible dans la dernière travée de la nef côté nord.

En 1826, l’une des cloches chute et détruit une partie des voûtes qui sont reconstruites. En 1839, le clocher, trop haut, est démoli et reconstruit moins élevé. Les pierres sont prises à la carrière du Haut des Vignes. Le devis est établi par Cyr Baticle, entrepreneur à Breteuil. Une rivalité entre la commune et la fabrique ainsi qu’un manque de ressources retardent les restaurations importantes nécessaires au milieu du XIXe siècle. En 1856 le desservant se plaint au sous-préfet du mauvais état dans lequel la commune laisse le presbytère et l’église. Le maire répond alors au curé que la commune n’a pas les ressources nécessaires contrairement à la fabrique.

Des travaux urgents sont réalisés sur la couverture en 1867. En 1872, le conseil municipal vote des réparations sur le pignon sud et au faîtage du clocher. La date "1873"» peinte sur l’une des clés de voûte de la chapelle de la Madeleine indique des travaux de maçonnerie ou de décoration sur cette partie de l’édifice à cette époque. La couverture connait des réparations dans le premier quart du XXe siècle (1912, 1920, 1922). La charpente et la couverture du chœur de Saint-Nicolas sont reconstruites en 1950 après un bombardement lors de la Seconde Guerre mondiale. La sacristie a été restaurée vers 1995.

L’édifice est inscrit au titre des Monuments historiques en 1997 (PM60000003).

Les ardoises de la toiture ont été progressivement remplacées ces dernières années (avant 2024).