Il existait vraisemblablement une chapelle à Tamerville au carrefour Belaunay, dédiée à St Jean Baptiste, avant le IX siècle et dont aujourd'hui il n'y a plus trace. Cette première chapelle étant devenue trop petite, les habitants auraient commencé la construction d'une nouvelle église à l'emplacement actuel.
Or une terrible famine frappa Tamerville en 820 et les travaux durent cesser ; un chapiteau à droite de la porte du clocher en témoigne, il représente un riche donnant du pain à un pauvre. Les Normands détruisirent cette ébauche d'église à leur arrivée vers 838, à l'exception de la tour. Entre 925 et 950, les Tamervillais entreprirent de bâtir une petite chapelle de substitution. Cette chapelle ne leur convenant pas, ils décidèrent de commencer la construction de l'église actuelle vers 1070 (sous l'épiscopat de l'évêque de Coutances, Geoffroy de Montbray) à l'initiative d'un Sir de Chiffrevast. Celui-ci, revenant d'Angleterre, avait acquit de grand bien et ramena plusieurs ouvriers qu'il chargea de sa construction.
Un seigneur de Chiffrevast, un dénommé Jacques d'Anneville, fit construire vers 1420 la chapelle Saint Jacques qui se trouve à gauche du chœur. Elle fut bâtie certainement en vue de lui servir de chapelle funéraire.
Vers le XV siècle, on entreprit des remaniements : la fenêtre du fond fut agrandie en verrière et le chœur fut remanié en chevet plat voûté d'ogives.
Au XVII siècle, la nef fut modifiée : les fenêtres agrandies, la façade élargie par une travée peut profonde, le tout terminé par un portail en 1755, au-dessus duquel se trouve un fronton triangulaire où est placé la statue en fonte de Saint Mayeul, second patron de la paroisse. Toutefois, malgré ces modifications, les corniches de la nef et du chœur ont gardé une soixantaine de modillons romans. Toutes les fenêtres furent refaites au XVII siècle mais quelques vestiges des fenêtres romanes subsistent à l'extérieur du bâtiment, sur le haut du mur de la nef. On fit communiquer la chapelle Saint-Jacques au transept de l'église par un arc en ogive en 1672.
Le plafond fut refait en 1813, le pignon ouest fut démoli en 1855 et la nef prolongée par deux petites chapelles latérales. L'église a été classée Monument historique en 1906 par les Beaux-Arts. Plus récemment, en 1972, des travaux sur la nef furent entrepris et financé par l'État.
Une relique de saint Sulpice le Débonnaire (évêque de Bourges au VII siècle), retrouvée vers le XX siècle, aurait été partagé entre l'église de Tamerville et celle de Fresville.