Le compte des décimes de 1274 mentionne un archiprêtré desservi par un capellanus à Antonaves. Ce serait la plus ancienne mention de l'église paroissiale. L'église est placée sous la titulature Saint-Pierre-aux-Liens hormis lors de la visite pastorale de 1612 qui évoque uniquement Notre-Dame. Il pourrait s'agir d'une confusion avec le vocable du prieuré Sainte-Marie d'Antonaves, confusion générée ou entretenue par un tableau d'autel à l'image de Notre-Dame en 1612. Selon Pierre Melet, l'église du prieuré et l'église paroissiale n'en seraient qu'une seule.

L'église paroissiale d'Antonaves a été très fréquemment inspectée par les évêques au cours des visites pastorales entre 1602 et 1740. En 1602, elle est décrite comme "ruynée [par les guerres de religion], presque détruite n'ayant à présent que les quatres murailles (...) faites de neuf n'a guières de temps". En 1612, le parti est pris de reconstruire le clocher à l'emplacement et sur les fondations de l'ancien clocher que l'évêque souhaite pourvu de deux cloches, manifestement réalisées en 1687. Un presbytère est aménagé dans l'église. Les protestants sont enterrés à cent pas de là a minima. En 1641, l'église est "en assez mauvais état, fort obscure". En 1694, les consuls devront étayer le "jubé ou la tribune" d'une poutre. Première mention de la sacristie en 1712 : elle doit être voûtée et blanchie. En 1740, l'église est en assez bon état ; elle possède déjà un "œil de bœuf" pourvu de "carreaux".

La série Q des Archives départementales des Hautes-Alpes nous apprend que l'église n'a pas cessé de servir à l'exercice du culte lors de la Révolution. Elle est toutefois décrite en "mauvais état". Entre 1829 et 1830, la chapelle Notre-Dame (chapelle nord) dont la voûte, la toiture et une partie des murs étaient écroulés est reconstruite par Antoine Durriou, maçon d'Antonaves. Entre 1835 et 1838, le clocher est réparé, ainsi que la charpente et les toitures de l'église et de la sacristie. La démolition de la tribune "aux bois entièrement décomposés" et de son escalier est programmée sans aboutir.

Le projet ambitieux d'agrandissement de l'église avec construction d'un clocher à quatre faces de forme carré lancé en 1855 échoue faute d'argent. Le projet de l'architecte Goulain, conçu en 1867 est réalisé par le maître maçon Salvator Aprile de Laragne et le serrurier Frédéric Bernard. L'église change de physionomie :

- le chevet à fond plat situé au levant est déplacé au sud-ouest et devient semi-circulaire (gain d'espace)

- la nef est élargie par le recul du mur pignon est, elle est divisée en travée grâce à des arcs doubleaux

- la grande chapelle nord scindée en deux abritera désormais la sacristie (elle aussi était au levant initialement)

- la chapelle sud est construite

- la porte d'entrée de l'édifice qui était au sud, jugée trop proche du nouveau chœur, est percée à l'est, en 1870, comme l'atteste le chronogramme.

La tribune, au-dessus de l'entrée est, prévue sur les plans de Goulain semble ne jamais avoir été réalisée. A partir de 1877,l'architecte départemental L. Chaudier poursuit le projet.

Complétant l’assainissement par drainage de 1866, des murs de soutènement et d'assainissement pour lutter contre l'humidité et la poussée des terres sont bâtis entre 1891 et 1892. Leur construction nécessite l'achat d'une partie du jardin de Michel Hippolyte.

Succédant à une situation alarmante, des travaux de restauration sont réalisés dans l'église entre 1960 et 1964. A cette occasion, le crépis est refait : il est identique à celui couvrant la chapelle Saint-Eutrope.

L'ancien cimetière, situé place du cimetière, sur une parcelle distincte de la parcelle de l'église, était à l'abandon dans les années 1950. A partir de 1959, une équipe de bénévole le réorganise et le déblaie : il est désormais attenant à l'église. Un nouveau règlement est approuvé par le préfet en 1964. Toutes les tombes sont de la seconde moitié du 20e siècle.