Justinas Parapijanavičius 1771 m. pastatė medinę bažnyčią, 1791 m. – kleboniją; įsteigta parapija. Bažnyčiai jis dovanojo 39 margus žemės. 1890 m. pristatytas bokštelis, įrengti 9 registrų vargonai. 1854–1863 m. veikė parapinė mokykla.
Panemunėlyje 1872–1908 m. klebonavo Jonas Katelė (1831–1908; palaidotas Panemunėlyje). Jis kaimuose steigė slaptas lietuviškas mokyklas, parūpindavo joms inventorių, mokomųjų priemonių, mokė, konsultavo daraktorius ir mokinius. Nuo 1887 m. J. Katelei talkino vikaras Aleksandras Štombergas, vėliau vikarai Karolis Perekšlis, Povilas Dogelis.
1893 m. pradėti rengti slapti lietuviški vaidinimai. Apie 1894 m. įsteigta slapta „Žvaigždės" draugija. Panemunėlio parapija tapo bene raštingiausia Lietuvoje. Jono Katelės rūpesčiu 1898–1907 m. pagal inžinieriaus Floriano Vyganovskio 1894 m. projektą buvo statoma dabartinė mūrinė bažnyčia. Ją baigė statyti 1910–1911 m. klebonas Juozapas Budrikas. Vidaus įrengimu rūpinosi kunigas Kazimieras Mockus. Daugiausia lėšų skyrė Panemunėlio dvaro savininkas Kazimieras Sventeckis ir būsimo premjero J. Tūbelio tėvas Juozapas Tūbelis.
1922 m. gegužės 18 d. bažnyčią konsekravo vyskupas Pranciškus Karevičius. 1908 m. įsteigtas „Saulės“ draugijos skyrius ir jo išlaikoma biblioteka – skaitykla. 1917 m. įsikūrė Lietuvių katalikių moterų draugijos skyrius. Per Pirmąjį pasaulinį karą 3 varpai išvežti į Rusiją. Vietoj jų vėliau pirktas varpas.
1930 m. praplėstos kapinės, 1937–1938 m. apmūrytos. Per Antrąjį pasaulinį karą gerokai nukentėjo bažnyčios bokštas, po karo suremontuotas. Nuo 1934 m. klebonavęs Juozapas Matelionis (1895–1964) 1950 m. areštuotas, nuteistas 10 m. kalėti (į Lietuvą grįžo 1955 m.).
Panemunėlio Šv. Juozapo Globos bažnyčia – tai ne tik architektūros paminklas, bet ir gyvas tikėjimo liudytojas. Jos istorija glaudžiai susijusi su slapta lietuvybės puoselėjimu carinės Rusijos okupacijos metu, o tai savaime yra ypatingas religinis aktas – tikėjimo išpažinimas net ir nepalankiomis sąlygomis. Klebonas Jonas Katelė, drąsiai steigęs slaptas lietuviškas mokyklas bažnyčios parapijoje, įkūnijo tikėjimą tautos išlikimu, siejantį religinį ir tautinį identitetą. Šios mokyklos, veikusios bažnyčios globai, buvo ne tik žinių, bet ir tikėjimo perdavimo vieta, kur jaunimas mokėsi ne tik skaityti ir rašyti, bet ir puoselėti savo tikėjimą. „Žvaigždės“ draugija, veikusi bažnyčios parapijoje, liudija apie stiprų bendruomeniškumą, grindžiamą bendra religine ir tautinio išlikimo vizija. Bažnyčios bokštas, tarsi rodyklė į dangų, simbolizuoja žmogaus siekį prie Dievo, o devynių registrų vargonai – dangiškąją muziką, kuri užpildė šią šventyklą. Minint šią bažnyčią, galime prisiminti šv. Pauliaus žodžius: „Nes aš įsitikinęs, kad nei mirtis, nei gyvenimas, nei angelai, nei valdžios, nei dabartis, nei ateitis, nei galybės, nei aukštis, nei gelmė, nei jokia kita būtybė negalės mūsų atskirti nuo Dievo meilės Kristuje Jėzuje, mūsų Viešpatyje.“ (Rom 8, 38-39). Panemunėlio Šv. Juozapo Globos bažnyčios istorija yra tikėjimo ir atkaklumo liudijimas, primenantis, kad tikėjimas gali įveikti visas kliūtis.