Tarp 1449 ir 1478 m. Šešuolių dvaras dovanotas Vilniaus vyskupui. Vyskupas Valerijonas Protasevičius 1567 m. būsimai bažnyčiai paskyrė dešimtinę nuo dvaro, Kuzilų kaimą. Tribokštė medinė bažnyčia pastatyta 1572 m. Pirmasis klebonas Pranas Rapolkevičius buvo įpareigotas išlaikyti mokyklą ir mokytoją. Bažnyčia per karą su Rusija 1656 m. tikriausiai sudegė. Vyskupo Konstantino Kazimiero Bžostovskio rūpesčiu 1694 m. atstatyta (galimai atnaujinta po gaisro). 1740 m. klebono jurisdikoje gyveno 4 šeimos. 1743 m. įkurta religinė brolija. 1751 m. vyskupo M. Zenkavičiaus rūpesčiu pastatyta dabartinė medinė bažnyčia, apie 1753 m. – varpinė, 1762 m. – prieglauda. Nuo 1777 m. veikė parapinė mokykla. Šešuoliai vyskupų valda buvo iki 1796 m. Apie 1803 m. bažnyčia suremontuota. Šešuolių dvare 1818 m. klebonas valdė 20 valakų (su Kuzilų kaimu); pastatyta nauja altarija. 1879–1884 m. suremontuota bažnyčia, klebonija, perstatyta varpinė, apmūrytas šventorius. Caro laikais bažnyčia priklausė Giedraičių dekanatui, buvo apie 5000 parapijiečių. Iki 1896 m. klebonas Juozapas Lukša skaitydavo tik lietuviškus pamokslus. Jam mirus, kunigas Petras Balkauskis greta lietuviškų pradėjo ir lenkiškus pamokslus, nors jų tesiklausydavo tik 10 šlėktų, ir taip gerai supratusių lietuviškai. 1912 m. įsteigtas Lietuvių katalikų blaivybės draugijos skyrius, 1913 m. – "Ryto" draugijos skyrius. 1911–1918 m. Šešuoliuose klebonavęs Jonas Kunigėlis parapijoje steigdavo ir išlaikydavo lietuviškas mokyklas. Už tai Rusijos valdžios tris kartus baustas piniginėmis baudomis. 1917 m. klebonas Šešuoliuose įsteigė dviklasę mokyklą ir vakarinius kursus suaugusiems. 1954–1956 m. kunigas Jonas Kazlauskas su parapijiečiais bažnyčią suremontavo. Nuo 1962 m. iki mirties Šešuoliuose klebonavo Petras Šiugžda (1906–1988). Jis suremontavo vargonus, nudažė bažnyčią ir kleboniją. Palaidotas šventoriuje. 2009 m. balandžio 24 d. buvo išversti avarinės būklės šventoriaus vartai, kurie Lietuvos kultūros departamento nurodymu atstatyti tų pačių metų liepos mėnesį.

Bažnyčia turi baroko bruožų, su trisiene apside ir 2 nedidelėmis zakristijomis prie jos, 2 bokštais. Fasadas su pusapskričiu frontonu. Šventoriaus akmenų mūro tvoros kampe stovi medinė varpinė (cokolis akmeninis). Šventoriuje yra stogastulpis su 2 koplytėlėmis. Kabo 1762 m. tapytas bažnyčios fundatoriaus paveikslas, XIX a. Šv. Kazimiero paveikslas. Altoriuje yra du paveikslai – Švč. Mergelės Marijos (išlikęs iš antrosios bažnyčios, nutapytas 1747 m.) ir Šv. Juozapo. Paveikslai daugiausia nutapyti ant metalo.