Une première église fut construite à cet emplacement au XI siècle mais fut presque entièrement détruite au cours de la Guerre de Cent Ans.
En 1513, l'église reçu les reliques de Saint-Marc. En 1516, Jean Poncher et sa femme Catherine Hurault de Cheverny achetèrent la seigneurie de Limours. En 1532, il entama la construction d'une église sur la crypte de la précédente. L'église fut achevée en 1532 et le domaine fut saisi en 1545, revenant à Anne de Pisseleu. Cette dernière fit construire un château et ajouter une chapelle seigneuriale.
Le 9 novembre 1681 eu lieu la cérémonie de transplantation des reliques de Saint-Marc dans une nouvelle châsse.
En 1793, l'église le « Temple de la Raison » puis retrouva sa vocation en 1795. À cette époque furent perdues les reliques de Saint-Marc et la châsse fondue pour l'effort de guerre.
En 1866 furent ajoutés des orgue et le mobilier de chêne et en 1888 les vitraux furent rénovés et complétés, certains furent alors classés aux monuments historiques. En 1902 fut ajouté le clocher par l'architecte Marcel Lambert.
En 1954, 1975, 1990, 1991 puis 2006, des meubles puis l'église dans sa globalité furent inscrits ou classés aux monuments historiques.
