L'église de Lézigneux est mentionnée pour la première fois au 11e siècle (?) dans le cartulaire de Savigny (copie du 16e siècle d'un acte daté du 11e siècle), puis en 1153 dans celui de l'abbaye d'Ainay (d´après Dufour). La paroisse est signalée sous le vocable de saint Martin (patron de l'abbaye de Savigny) en 1378 (Dufour), puis sous celui de Notre-Dame dans la visite pastorale de 1662. L'édifice actuel est datable de la fin du 15e siècle, il peut avoir été achevé au premier tiers du 16e : la présence des armoiries du roi de France peut être un écho à l'entrée du Forez dans le domaine royal, en 1530. Le bâtiment présente une architecture très hétérogène dans les détails : supports et contreforts de forme différente, mur de façade oblique par rapport au fond de la nef, ce qui laisse supposer des hésitations et des reprises lors de la construction ; les détails de mise en oeuvre opposent les moitiés nord et sud de l'édifice.

L'église comporte une nef centrale de trois travées encadrée de bas-côtés. Le clocher est situé au-dessus de la dernière travée (est) du collatéral sud : l'épaisseur des murs et des supports y est beaucoup plus importante, le clocher formant ainsi une légère saillie dans l'angle sud-est de la nef. A l'ouest s'élevait autrefois un chevet à 3 pans flanqué de deux sacristies, dont Jamot donne le plan en 1873 : une sacristie au nord, de plan carré, et une au sud, de plan rectangulaire irrégulier, débordant par rapport au bas-côté ; dans l'angle sud-ouest se trouvait un escalier en vis pour l'accès au clocher, partiellement hors-oeuvre (visible sur la Vue d'ensemble depuis l'ouest du fonds Brassart), avec une porte (fenêtre ?) vers l'extérieur et un accès par la sacristie.

L'église est construite en petit moellon de granite, avec de la pierre de taille pour les chaînes d'angles, les encadrements de baies, les contreforts, les corniches en dalles chanfreinées, le soubassement et les supports intérieurs. Des contreforts rythment les travées à l'extérieur (contreforts angulaires aux angles, absents au niveau du clocher, arraché dans l'angle nord-est) : du côté nord (moitié nord de la façade ouest et façade nord), ils ont un couronnement en bâtière concave à rouleau sommital ; du côté sud (moitié sud de la façade ouest et façade sud) en bâtière droite simple. La façade occidentale présente un portail en arc brisé, dont l'archivolte à deux rouleaux terminés par des moulures prismatiques est protégée par un larmier formant un petit retour à hauteur d'imposte. La porte a un linteau droit à tore. Le tympan était fermé par un tympan de menuiserie avec 'une jolie boiserie ancienne ornée de losanges remplis par des rosaces à quatre pétales' (Forez Pittoresque), disparu. Les vantaux de bois semblent dater du 19e siècle. Un porche en charpente (appelé localement galinière abritait cette porte ; il est cité par Jamot dans son rapport de 1882, mais semble déjà avoir disparu à cette époque (Jamot emploie le terme 'autrefois' pour le désigner, et il n'est pas visible sur la photographie du fonds Brassart). Le portail est surmonté d'un oculus, légèrement décalé vers la gauche par rapport à l'axe du portail. La façade nord est percée de trois fenêtres, toutes différentes. La fenêtre centrale a été agrandie, peut-être dès la fin du 18e siècle, puisqu'une délibération du conseil de fabrique de 1771 prévoit un projet d'agrandissement d'une fenêtre côté nord, pour le rendre semblable à celle côté sud, repris dans une délibération de 1779 qui permet de 'faire agrandir pour donner un plus grand jour à l'église la vitre du milieu de l'église du côté de bise et de l'autel de la sainte Vierge' (Faure, s.d.). Un petit bénitier, protégé par une pierre en saillie, est placé juste avant l'angle du mur. Le niveau de sol semble avoir été légèrement décaissé de ce côté de l'édifice. Dans l'angle nord-est, des traces d'arrachement sont visibles, correspondant certainement à un ancien contrefort d'angle et au mur de la sacristie détruite. Cette sacristie est visible sur une photographie du fonds Brassart (Vue d'ensemble depuis le nord-est). L'élévation est a été très perturbée par la démolition des sacristies et du chevet, entre 1889 et 1898 : le devis de construction de la nouvelle église prévoyait la démolition totale de l'ancienne, qui s'est cependant arrêtée au niveau de la 3e travée. Une photographie du fonds Brassart permet de connaître l'élévation intérieure du choeur avant sa démolition. L'arc d'entrée du choeur, muré, est encore lisible dans le mur oriental, de même que les anciens niveaux de toiture. Dans le mur ouest du clocher, une fenêtre a été percée au rez-de-chaussée (partie autrefois englobé dans la sacristie sud) ; une porte a également été percée à l'étage, qui interrompt le larmier soulignant les niveaux du clocher : elle correspond à la construction d'un escalier en bois après la démolition des parties orientales de l'édifice comprenant l'escalier en vis inclus dans la sacristie sud (AC Lézigneux, délibération du 19 août 1908). L'élévation sud du clocher présente, au rez-de-chaussée, une porte dont le linteau est orné d'un cadran solaire gravé, et une fenêtre. Le 2e niveau du clocher comporte trois gargouilles en forme d'animal couché ; le 3e niveau est ouvert de baies jumelées en arc brisé. Les deux premières travées de l'élévation sud comportent chacune une fenêtre. Les murs de l'église ont été surélevés en partie haute, peut-être à l'occasion d'une réfection de la toiture, projetée dès 1771 (délibération du conseil de fabrique, citée par Faure, s.d.), puis de nouveau en 1833 (AD Loire, délibération du conseil municipal du 28 juillet 1833), les travaux ne semblant réalisés qu'en 1842 (AD Loire, délibération du conseil municipal du 24 avril 1842). Les ouvertures d'aération de la charpente, sur les murs gouttereaux, datent de cette surélévation. L'église est couverte d'un large toit à longs pans, avec un toit en pavillon sur le clocher.

L'église est voûtée d'ogives avec clefs de voûte ornées. La clef de voûte du choeur aurait été transportée dans le jardin des clarisses de Montbrison. Les supports sont de forme variée. Du côté nord, les voûtes de la nef sont supportées par des faisceaux de quatre grosses colonnes (pour les arcs doubleaux et formerets) et quatre petites (pour les ogives) avec une base octogonale à moulurations prismatiques. Le support oriental a un diamètre plus petit que le support occidental. Les ogives de l'abside reposaient sur des colonnettes simples (selon le relevé de Jamot). Du côté sud, les supports sont constitués de piliers : à l'ouest, un pilier cruciforme à angles chanfreinés et bases prismatiques ; à l'est, une grosse pile de plan rectangulaire supportant le clocher, avec des moulurations prismatiques à la base du côté est et un congé orné d'une feuille recourbée du côté ouest. La retombée des voûtes sur ce pilier est présente des irrégularités diverses, fragment de pilastre et arrachement de maçonnerie. Dans le bas-côté sud, la retombée des ogives est un culot sculpté. Dans la 1ère travée du bas-côté nord, un placard est creusé dans le mur nord, correspondant peut-être à un ancien placard des fonts baptismaux. Dans la 3e travée de ce collatéral, il y a un placard dans le mur nord, à gauche de la fenêtre, et une petite niche avec socle mouluré dans la retombée de l'arc formeret sur le mur ouest. Un dernier placard se trouve dans le mur ouest de la 3e travée du collatéral sud, et un lavabo dans une niche en accolade, dans le mur sud à gauche de la fenêtre. Le sol a été décaissé en 1844 (délibération du conseil de fabrique : novembre 1844, les travaux du dallage sont presque achevés ; cité par Faure, s.d.). Le niveau de sol original est visible à la base des supports et des murs. La visite pastorale de 1662 indique que la travée occidentale du collatéral nord formait une chapelle dédiée à sainte Anne, et que le collatéral sud comportait deux autels, l'un dédié à saint Sébastien (le plus proche du choeur), l'autre à saint Martin.

Les registres de fabrique étudiés par Roger Faure donnent des indications sur l'entretien de l'église au 18e siècle : en 1779, les fabriciens sont autorisés à 'faire crépir le clocher, blanchir la nef de l'église, refaire les vitres de la sacristie' ; en 1840, les deux chapelles, la chaire, les fonts baptismaux, toutes les croisées ont besoin d'être changés et réparés ; auparavant, le dallage, le badigeon et la toiture doivent être refaits. A partir des années 1840, les registres de délibérations communales donnent des indications sur les travaux effectués et sur les projets d'agrandissement de l'église, que le rattachement d'une partie de la commune de La Rivière-en-Lavieu, en 1830, rend trop exiguë pour les habitants de Lézigneux, dont le nombre passe de ce fait à 1200 (AD Loire, délibération du 6 janvier 1831). Les premiers projets concrets d'agrandissement remontent à 1862 (AD Loire, délibération du 28 mai 1862). En 1866, La fabrique demande au conseil municipal l'autorisation d'agrandir l'église 'en lui donnant à son côté est un développement de 10 m' (AD Loire, délibération du 16 décembre 1866), mais ce qui aurait pour effet de diminuer encore la taille de la place située devant l'église, espace clos situé entre le presbytère et son jardin, transformé en place après l'interdiction du cimetière par le préfet en 1837 (AD Loire, délibération du 10 septembre 1837). En 1870, le conseil municipal prie le préfet de faire établir un plan d'agrandissement (AD Loire, délibération du 5 juin 1870). En 1873, la fabrique reste sur son projet d'agrandissement en ajoutant une travée à l'ouest, et en expropriant pour cela le sieur Dupuy pour agrandir la place à l'ouest également. Mais ce projet est insatisfaisant : la nouvelle travée serait trop près de la façade du presbytère, et l'édifice resterait trop petit (AD Loire, délibération du 2 février 1873). Le curé propose de reconstruire l'église plus à l'est, en conservant ou non le clocher, sur l'emplacement d'une parcelle achetée par la fabrique en 1874 (AD Loire, délibération du 8 mars 1874), mais le conseil municipal est défavorable à l'achat de la parcelle. Au début des années 1880, la situation devient pressante : l'agrandissement est nécessaire et urgent, 'l'église est dans un état de malpropreté révoltant, elle ne peut contenir que la moitié des habitants' (AC Lézigneux, délibération du 8 octobre 1882). Le 16 octobre 1882, un rapport sur l'église est adressé au chanoine Peurière, curé archiprêtre de l'église Notre-Dame de Montbrison, par Claudius Jamot, architecte à Lyon (AC Lézigneux, liasse Restauration de l'ancienne église). La décision finale de construire une nouvelle église (étudiée), sur un emplacement différent, n'est prise qu´en 1887 ( AC Lézigneux, délibération du 22 juillet 1887). Une délibération de 1889 précise que 'l'entrepreneur démolira l'ancienne et nivellera le sol dès que le culte sera possible dans la nouvelle' (AC Lézigneux, délibération du 28 avril 1889). Cependant, la démolition s'arrête au chevet. En effet, la nouvelle église n'a pas de clocher, celui de l'ancienne est donc conservé, avec son horloge et les cloches. L'église, 'grande et basses nefs', est louée pour 9 ans par la commune, dès 1898, à Claudius Crozet, menuisier au bourg, comme atelier et dépôt de planches. Le clocher ne fait pas partie du bail et reste à disposition de la municipalité (AC Lézigneux, délibération du 17 avril 1898) : il comprend à sa base la prison municipale, dite 'cave à Ravachol' (espace délimité par des murs construits à cet effet entre les supports du clocher), puis au dernier niveau l'horloge et les cloches, ces espaces ayant des accès depuis la rue.

La restauration du bâtiment n'intervient qu'à partir des années 1970, avec A. Cheynel, architecte des bâtiments de France, comme maître d'oeuvre : les voûtes et les supports sont renforcés, une dalle de béton armé est coulée (AC Lézigneux, boîte Réfection de l'ancienne église). Les travaux se poursuivent au début des années 1990 avec la restauration des façades, toitures, abat-sons, chaînage de mur et le terrassement de la cour. L'église sert actuellement de dépôt municipal ou de salle des fêtes.