Bonneleau est cité comme paroisse dès 1301 dans le pouillé de la province de Reims. Il semblerait donc que l'église ne soit pas d’origine castrale comme le laisse supposer sa proximité avec le château attenant. Il est en revanche vraisemblable que les châtelains avaient une chapelle privée à l’intérieur de l’église.

Une visite pastorale en 1667 signale le mauvais état de l’édifice couvert en chaume. D’après les recherches de É. Tribout, l’église est reconstruite en 1775. La famille Saisseval de Rigoville, propriétaire du château, possède alors son propre caveau dans l’église.

M. et Mme Genêt de Chatenay, propriétaires du château à partir du milieu du 19e siècle reconstruisent à leurs frais l’église entre 1873 et 1875. À cette occasion, ils demandent d’acquérir le terrain où se trouve l’église qu’ils considèrent comme leur propriété en tant qu'ancienne chapelle du château. Comme le montre le cadastre de 1833 l'église était originellement orientée est-ouest alors qu'elle est reconstruite selon une orientation nord-sud. Le caveau de la famille de Saisseval de Rigoville est alors déplacé à l’extérieur dans le cimetière entourant l’édifice. La paroisse de Bonneleau est rattachée à celle de Fontaine à une date indéterminée au cours du 19e siècle.

En 1940, des bombardements touchent Bonneleau. L’église subit plusieurs dégâts dont la destruction des peintures et des vitraux provoquée par un incendie.