Šeduvos seniūnijos inventoriuje 1645 m. minima Smilgių bažnyčia ir 2 valakai klebonijos žemės. 1655 m. bažnyčiai dovanotas Gikonių kaimas su 17 valakų ir Čelkių kaimas su 6 valakais žemės. 1677 m. bažnyčiai dar priklausė Matarakų kaimas. Kunigo Jurgio Jakševičiaus rūpesčiu 1690 m. bažnyčia perstatyta. 1761 m. ji buvo sena ir netinkama naudoti. Klebonas Antanas Vaitelis, remiamas grafo Jono Jurgio Flemingo, 1764 m. pastatė naują bažnyčią. Statybai buvo naudojami pušiniai rąstai, tąšyti kirviais. Sienos suręstos sujungiant rąstus per išpjovas. Joje 1768 m. buvo 6 altoriai. 1820 m. klebonija turėjo 33 valakus žemės. 1858 m. perstatytas fasadas ir bokštai. 1873 m. klebono prelato J. Rodavičiaus (Smilgiuose 1869–1885 m.) rūpesčiu suveržtos bažnyčios sienos, perdažytas vidus, pertvarkyti altoriai, perlydyti varpai. Lietuviškos spaudos draudimo laikais kunigas M. Opulskis platino knygas, maldaknyges. Kunigas Domininkas Tuskenis-Tuskevičius 1896 m. įkūrė slaptą bibliotekėlę. 1919 m. ji perduota pavasarininkų kuopai. Kunigas dekanas Petras Kuzmickas po 1983 m. suremontavo bažnyčią, įvedė šildymą.

Pastatas yra medinis, su 2 zakristijomis ir viškomis. Bažnyčios interjeras įrengtas pagal baroko epochos stilių. Didysis altorius su medinėmis skulptūromis pasižymi rokoko formomis. Bažnyčia barokinė, kryžminio plano (28x18 m), halinė, su trisiene apside, dvibokštė. Vidus 3 navų. XIX a. pabaigoje buvo pastatyta originali bažnyčios varpinė. Spaudos draudimo metais Smilgių bažnyčia prisidėjo prie tautiškumo puoselėjimo. Varpinėje knygnešiai slėpdavo lietuviškąją spaudą.