Construite au XI siècle, l’église de Chalou appartenait initialement au chapitre de Saint-Aignan d’Orléans. Une partie de la nef et du portail roman témoignent de cette église primitive.
Elle fut ensuite cédée à l’ordre du Temple en 1183 par la reine Alix, mère de Philippe Auguste. Les Templiers rénovèrent et agrandirent l’église au XIII siècle.
En 1307, à la chute du Temple, l’église passa à l’ordre de l’Hôpital Saint-Jean de Jérusalem qui la conservera jusqu’à la Révolution.
L'église a subi de sévères modifications lors des guerres de religion et vit la construction d’une voûte en berceau lambrissée en 1583.
Les fresques des piliers du chœur, présentant la liste des commandeurs templiers puis hospitaliers, des curés de Chalou, ainsi que certains vitraux montrant les processions du XIX siècle à la source Sainte Apolline sont dues au zèle d'entretien patrimonial d'un curé de la paroisse, l'abbé Huguenot.
De nombreux travaux de mise en valeur ont enfin été réalisée par la commune à la fin du XX siècle, la rénovation de la voûte lambrissée, son désenclavement par la démolition de l'ancien presbytère, la rénovation des murs extérieurs, la pause du vitrail au-dessus du portail, et la formation du jardin public Abbé-Huguenot.
Quelques pièces du mobilier de l’église sont remarquables, les fonts baptismaux du XII siècle, une statues de la Vierge à la grappe de raisin datée du XVI siècle, une statue de saint Thomas Becket et les statues des saints patrons de l’église : saint Aignan et sainte Apolline.
