Si l’église de Boudevilliers n’apparaît dans les textes qu’au XVe siècle, les fouilles menées par l’architecte Jacques Béguin en 1925 permettent de faire remonter son origine à l’époque romane. En effet, les fondations d’une abside semi-circulaire ont été dégagées sous le chœur. Des fondations de même nature se retrouvent sous les murs de la nef actuelle, montrant que les dimensions de celle-ci n’ont pas varié. Cette première église, comparable à celles de Dombresson, de Serrières et de Corcelles, peut-être datée du XIe ou du XIIe siècle. Les fondations d’un chœur rectangulaire du XIIIe ou du XIVe siècle ont également été dégagées derrière l’abside. Ce dernier a remplacé l’abside semi-circulaire entre l’époque romane et la construction du chœur actuel dans la deuxième moitié du XVe siècle.
L’inscription PTB 1660 sur l’arc de la porte et les mêmes initiales sur l’œil-de-bœuf du pignon indiquent une reconstruction de la façade, et peut-être aussi celle du clocher voisin. En 1727, le mur occidental de la tour fut réédifié en pierre de taille. Une chapelle gothique s’élève au sud de la nef; elle s’avance dans la nef, comme autrefois la chapelle des seigneurs de Valangin à Engollon.
