1769 m. pastatyta medinė koplyčia. Jai sudegus, dvaro savininkas Kazimieras Moigis 1803 m. pastatė mūrinę bažnyčią. 1851 m. pradėtos rašyti metrikų knygos. 1864–1904 m. Palėvenėlėje kunigavo Domininkas Šafronas, 1917–1920 m. – teologijos ir filosofijos mokslų daktaras Simonas Šultė (abu palaidoti šventoriuje).
1910 m. bažnyčia suremontuota, primūryta zakristija. Per Pirmąjį pasaulinį karą apdaužyta. Po karo suremontuota, pristatyta zakristija. Iki 1926 m. Palėvenėlė buvo Kupiškio parapijos filija.
1923–1926 m. filialistas Stanislovas Baltrimas atnaujino bažnyčią, perdengė stogą, baigė statyti ūkinius trobesius, išrūpino Palėvenėlei parapijos teises. Pirmasis klebonas Antanas Pauliukonis 1926–1929 m. išdažė bažnyčią, perdengė varpinę. Klebonas Kazimieras Pukenis 1932–1935 m. įsigijo bažnytinio inventoriaus, išmūrijo tvartą, klojimą. 1941–1947 m. klebonavo Bronius Jareckas. Jis atstatė per karą nuverstus bokštelius, 3 altorius, apdengė klebonijos stogą.