Dans la première moitié du 8e siècle, Ercold, noble mérovingien propriétaire des terres de Diogilo (nom ancien de Deuil) ayant fait inhumer en ce lieu le corps d'Eugène, fait élever un oratoire au-dessus du sépulcre du saint.
La piété attirant une foule nombreuse, l'oratoire est remplacé par une « Basilica » permettant le culte. Des « miracles » se déroulant sur le tombeau du saint local et des pèlerins s'y déplacent en grand nombre.
Au 9e siècle, une chapelle est batie, et les moines de Diogilo conduisent les reliques de Saint Eugène à l'Abbaye de Saint-Denis fortifiée.

Au 11e siècle, la chapelle fait place à une église romane dont la construction commence par le chœur. Hervé de Montmorency fait don en 1066, de l'église Saint-Eugène de Deuil à la puissante Abbaye bénédictine de Saint Florent de Saumur, à charge pour elle d'y établir un prieuré dans lequel s'installent 12 moines et un prieur. La nef est achevée au 12e siècle. Quatre chapiteaux historiés ornent la croisée du transept. A partir de cette époque, l'église sera partagée entre les moines et les habitants. Le chœur dit de « Saint-Eugène » sera monacal. La nef sous le vocable de « Notre-Dame de la Nativité» sera paroissialle.

L'église et le village vont subir les dégradations de la guerre de cent ans et des guerres de religion. Jugée en mauvais état et trop petite, l'église Notre-Dame est restaurée et agrandie au 16e siècle par la création de la chapelle du rosaire.

Pendant la révolution, l'église est pillée puis transformée en « Temple de la Raison ». Les bâtiments de l'ancien prieuré sont vendus. La première mairie et la première école du village y sont installées. L'église est restaurée sous le premier empire. Le Prieuré n'existant plus, la totalité de l'édifice est alors rendue au culte.