Plusieurs chapelles ont existé à Montérolier : l'une, dédiée à Saint Désiré, disciple de saint Wandrille, citée en 1142 et appartenant à l'abbaye de Saint-Wandrille, une autre dédiée à saint Roch mentionnée en 1623 ; une dernière, consacrée à saint Gorgon et citée en 1673. Rebâtie en 1693 par le chevalier Leroux de Tilly, après un incendie, l'église actuelle accueille jusqu'à la Révolution un pèlerinage en hommage à saint Onuphre, dont une statue est dans la nef. On peut également y admirer un vitrail représentant saint Désiré, et un autre représentant saint Gorgon. Le clocher est édifié en 1700. Des modifications et des restaurations partielles sont effectuées en 1747 et 1818. Le chœur abrite un tableau de Jean Jouvenet représentant l'Assomption, peint en 1713, avant que l'artiste ne soit atteint de paralysie.

Les poutres de la nef, de style Louis XIII, sont sculptées de motifs floraux alternant avec des visages.

Cette sculpture (située au-dessus du confessionnal) représente le martyre de saint Sébastien, attaché à une colonne et transpercé de flèches, pour avoir reproché à l'empereur Dioclétien sa cruauté envers les chrétiens.