Pirmąją medinę bažnyčią 1726 m. pastatė Čartoriskiai. Jai pasenus, 1789–1790 m. pastatyta nauja medinė bažnyčia. Andrioniškyje apsigyveno kunigas. Jam 1796 m. leista teikti sakramentus. Bažnyčia buvo Anykščių parapijos filija.
1911 m. parengtas mūrinio grūdų sandėlio pritaikymo bažnyčiai projektas. Pagal inžinieriaus Prano Markūno (1873–1964) projektą ir jo lėšomis 1933–1935 m. pastatyta dabartinė bažnyčia. Buvusi medinė bažnyčia parduota Juostininkų bendruomenei ir dabar stovi Juostininkų kapinėse, kaip koplyčia. Kunigo Mato Šermukšnio rūpesčiu 1936 m. įkurta parapija. Bažnyčią 1940 m. konsekravo vyskupas Kazimieras Paltarokas. Pastatyta nauja klebonija (dabar ten paštas ir gyvenamosios patalpos). Po Antrojo pasaulinio karo bažnyčia suremontuota ir išdažyta. XXI amžiaus pradžioje prof. A. Dovydėno iniciatyva 8 bažnyčios languose įrengti vitražai.Vitražus kūrė Vokietijos, Latvijos, D. Britanijos ir Lietuvos menininkai.