Construite au XIIe siècle, l’église est aujourd’hui classée monument historique. Bâtie durant une période de transition architecturale, elle possède un clocher de style roman et un chœur de style gothique. Saint-Denis de Wissous a également la particularité de posséder deux nefs. Des fresques du début du XVIe siècle ont été retrouvées en 1880, dans le bas-côté sud de l’église et ont été classées en 1905.
À la fin du XIXe siècle, l’église a menacé de s’effondrer. Fermée en 1902 pour des raisons de sécurité, il était question de la démolir afin de créer un nouveau lieu de culte. Heureusement, grâce à un emprunt de la ville et une aide de l’Etat, des travaux de réhabilitation ont pu être effectués. C’est l’architecte Isabey qui a dirigé les travaux de mars à juillet 1904. Toiture totalement refaite avec le remplacement des tuiles par des ardoises, nouvelle voûte pour la nef, restauration des murs nord, ouest et du perron. En quelques mois, l’édifice a été remis à neuf avec pour finir la réfection du clocher et une modification de la partie supérieure de celui-ci. À l’entrée de l’église, figure l’arbre de la liberté : un chêne a en effet été planté en 1919 à cet endroit pour symboliser la victoire de la Première Guerre mondiale.
En 2011/12, des restes archéologiques ont été découverts. Des fouilles ont donc été menées. Le 4 avril 2012, l'église a ouvert ses portes. En route vers l'an 3000...