La petite église de Vieulaines, hameau de Fontaine-sur-Somme (IA80010955), est attestée à partir de 1358. Il s’agit à l’époque vraisemblablement d’une chapelle seigneuriale dépendante du château (IA80010959) attenant. Selon la tradition, elle aurait été incendiée au cours de la Guerre de Cent Ans. Elle aurait été reconstruite à la suite et élevée en église paroissiale sous le vocable de Notre-Dame de l’Assomption. Dès lors, les habitants du hameau n’étaient plus obligés de se rendre aux offices célébrés à l’église du village de Fontaine-sur-Somme (IA80010957), distant d’un kilomètre et demi. De cet édifice, aucun élément architectural n’a été conservé.

La construction actuelle semble plutôt remonter au milieu du XVIe siècle pour les travées de la nef et à la fin du XVIe siècle pour le chœur (travée droite et chevet polygonal). Une rupture verticale dans l’appareillage des murs, ainsi que dans le décrochement du larmier extérieur et de la corniche, associée à la présence de baies à meneau central et remplage dans le chœur, forment en effet une série d’éléments qui témoignent d’une construction en deux campagnes distinctes.

Dans le 1er quart du XVIIe siècle, Jacques de May, seigneur de Vieulaines, pourrait avoir offert de nouveaux vitraux au chœur de l’église. Selon les Notes de voyage d’Edouard Lambert de Beaulieu qui visita l’église en 1839 (Amiens, Société des Antiquaires de Picardie; CB 2) l’un des vitraux du chœur (baie 1) portait la date de 1620 ; une date qui pourrait être mise en écho avec son mariage avec Marie de Monthomer, le 3 avril 1619. À l’extérieur, au-dessus de l’archivolte de cette même ouverture, étaient sculptés quatre objets traditionnellement associés aux offices : un ciboire, un ostensoir, un manipule et un missel. Ces éléments de décor témoigneraient ainsi de l’attachement de la seigneurie de Vieulaines à cette église, qui, en dehors de ces vitraux, demeurait un édifice aux dimensions modestes, simplement couvert d’un toit en chaume et doté d’un couvrement en charpente lambrissée sur lattis.

Dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, l’église apparaît toutefois en mauvais état. Une partie des contreforts du chœur sont refaits, témoignant peut-être déjà de problèmes de stabilité. L’un d’eux porte la date de 1753. Et quelques décennies plus tard, Jean-François d’Arras, curé de la paroisse vers 1780, ne manque pas de détailler les travaux nécessaires à réaliser. Dans un courrier qu’il adresse à l’Intendant de Picardie, Bruno d’Agay, (intendant de la généralité d’Amiens de 1771 à 1789), il est alors question de "la remise en état du clocher et du pavage, de la toiture en chaume et la construction d’un plafond". Deux ans plus tard, l’architecte abbevillois, Salomon Noël, est chargé d’établir un devis estimatif des travaux. À l’occasion des travaux qui suivent, la toiture en chaume est remplacée par une couverture en tuiles.

Au cours du XIXe siècle, plusieurs campagnes de restauration sont engagées, notamment celle de 1849, qui vise à remplacer la couverture en tuile par de l’ardoise, puis celle de 1859 qui fut beaucoup plus importante. La vue de l'église réalisée par Oswald Macqueron en 1851 "d'après nature" présente l'édifice coiffé d'une toiture en ardoise.

Durant la Seconde Guerre mondiale, l’église de Vieulaines n’est pas touchée par les bombardements. Après la destruction d’une partie de l’église Saint-Riquier [IA80010957] du village de Fontaine-sur-Somme en 1940, l’église Notre-Dame de l’Assomption sert alors à toute la paroisse pendant quelques années.

En 1974, sous l’impulsion du Syndicat d’Initiative de Fontaine et Vieulaines, l’édifice est inscrite au titre des Monuments historiques. Malgré de nouveaux travaux de restauration (mise hors d'eau, installation de vitraux de verre cathédrale, restauration des couvertures et du clocher) réalisés entre 1976 et 1984, d'importants désordres de maçonnerie et du couvrement lambrissé du chœur conduisent, en 2023 et 2024, à une nouvelle campagne de restauration, sous la direction de l'architecte amiénois Pascal Brassart.