Die erste Lengsdorfer Kirche entstand aus einer Burgkapelle der karolingischen Zeit. Im Mittelalter war die Lengsdorfer Kirche alljährlich am Bittdienstag Ziel einer Prozession, die vom Bonner Cassiusstift kam. Vermutlich war sie damals schon einmal Pfarrkirche, die dem heiligen Martinus geweiht war. In einem Verzeichnis der Kirchen und Kapellen um 1300 wurde sie als Kapelle geführt, während sie später in den Urkunden immer wieder als Kirche bezeichnet wurde.
Die Lage der ersten Kirche dürfte die jetzige gewesen sein. Heute noch wird man wegen der hohen und wuchtigen Mauer, die der Kirche als Stütze dient, zweifellos vermuten, dass hier eine Verbindung von Burg und Kapelle beziehungsweise Kirche vorhanden war.
Die jetzige Pfarrkirche hat eine interessante Baugeschichte. In ihrer heutigen Gestalt ist sie in sechs Bauperioden entstanden. In den vielen Jahren wurde die Kirche auch mehrmals erweitert, weil sie für die ansteigende Bevölkerungszahl einfach zu klein geworden war. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts entschloss man sich zum Anbau eines nördlichen Seitenschiffes.
Die auffallendste Änderung damals war der Einbau der Fächerfenster in den beiden Seitenschiffen und im Chorhaus. Hierdurch wurde die klassische Form der romanischen Kunst noch mehr betont. Die Kirche hatte damals drei Altäre. Noch in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts konnten eine neue Kanzel, Orgel und andere Ausstattungsgegenstände angeschafft werden.
Ein neues Pfarrhaus war 1887/1888 an alter Stelle erbaut worden. In der Inflationszeit 1922 wurde die Kirche von Malermeister Welter neu ausgemalt. 1930 baute man einen Heizungskeller, in dem die Firma Mahr eine Heizung installierte. 1935 wurde die Kirche in westlicher Richtung erweitert. Dabei wurde besonders darauf geachtet, dass der Charakter der Kirche erhalten blieb.
Am 4. Februar 1945 ging ein Regen von Brandbomben auf Lengsdorf nieder. Viele Häuser verbrannten; auch der Kirchturm, der bald brennend auf das Kirchdach stürzte. Noch im gleichen Jahr gelang es Pfarrer Junkersfeld, die ausgebrannte Sakristei wieder herrichten zu lassen. Das Dach konnte nur notdürftig mit Asphalt und Blechplatten abgedeckt werden. Ab 1950 begann man verstärkt damit, die Schäden des Krieges weitestgehend zu beseitigen. Im Juni 1953 wurde mit dem langgeplanten Aufbau des Kirchturms begonnen. Er entstand angepasst an den romanischen Stil an der Südwestecke der Kirche, da er an der alten Stelle auf dem Dach vor dem Chor aus statischen Gründen zu teuer war. Am Patronatsfest, dem 2. August 1953, wurde die Grundsteinweihe vorgenommen. Die Mauerarbeiten waren bis dahin fast vollendet. Die Orgel musste von der Firma Klais in Bonn ausgebaut werden.
Eine völlige Renovierung der Kirche begann 1955 unter der Leitung des Diözesanmeisters und des Landeskonservators.
Anfang 1961 wurde ein neuer 150 Zentner schwerer Hauptaltar aufgestellt, den der Kölner Bildhauer Gernot aus Westerwälder Trachyt angefertigt hatte. Er löste den 1910 aufgestellten Altar ab. Der neue Altar wurde in das ebenfalls fast quadratische Chorviereck gestellt. Auch der Fußboden von Chor und Sakristei war mit Trachytplatten ausgelegt worden. Nun kam die ursprüngliche romanische Architektur in ihrer klaren Einfachheit wieder voll zur Geltung.