Pirmoji Utenos bažnyčia minima 1500 m. Jai 1522 m. paskirta dešimtinė iš Utenos ir Užpalių dvarų. Iki XVIII a. pradžios Utenos ir Užpalių bažnyčios ir parapijos turėjo bendrą kleboną. 1777 m. minima parapinė mokykla. 1796 m. Utenos bažnyčiai priklausė miestelio jurisdika, Utenėlės palivarkas (7 valakai žemės) ir palivarkas Dusetų parapijoje (13 valakų).
1796–1802 m. klebono Tado Milašiaus rūpesčiu ir iš dalies jo lėšomis pastatyta nauja medinė architekto S. Lukoševičiaus projektuota bažnyčia. 1865 m. pastatyta mūrinė varpinė. 1866 m. atnaujinta bažnyčia. Ji ir klebonija 1879 m. gegužės 31 d. sudegė. Pamaldos laikytos kapinėse pastatytoje medinėje stoginėje. 1879 m. atstatyta klebonija (vėliau paversta prieglauda). 1858–1869 m. Utenoje klebonavo prelatas Otonas Praniauskas. Jis lietuviškai sakė pamokslus ir giedojo. 1869–1896 m. klebonavo Adomas Vyšniauskas. Jo rūpesčiu 1882–1884 m. pastatyta dabartinė mūrinė bažnyčia.
1898 m. gegužės 28 d. ją konsekravo vyskupas Gasparas Cirtautas. 1899 m. įrengti 12 registrų vargonai. 1900 m. pastatytas didysis altorius. Prieš Pirmąjį pasaulinį karą įsigyti 3 varpai, 1915 m. išvežti į Rusiją (po karo 2 varpai grąžinti, 1 jų suskilęs ir netinkamas naudoti).
1905 m. įkurtas „Saulės“ draugijos skyrius, įsteigta lietuviška mokykla, 1908–1913 m. vikaru buvo Jonas Švagždys. Jis steigė draugijas, būrelius, rengė vakarus, skaitė paskaitas, pastatė parapijos namus, įrengė salę su scena. Vėliau lietuvišką veiklą tęsė kunigai: Pranciškus Turauskas (palaidotas šventoriuje), Vladas Butvila („Saulės" gimnazijos kapelionas ir direktorius), Pranas Gineitis. Ilgamečio klebono Jono Asminavičiaus rūpesčiu 1927 m. kapitališkai suremontuota bažnyčia, sutvarkyti parapijos pastatai. 1940–1944 m. klebono Petro Raudos (1894–1974), (palaidotas šventoriuje) iniciatyva įrengtos klausyklos. 1979 m. restauruotas didysis altorius, kiti suremontuoti.