Der Ort Weilheim und seine Pfarrkirche werden urkundlich erstmals 1275 erwähnt. Jedoch wurde wohl schon durch die Franken, die den christlichen Glauben ab dem 7. Jh. n. Chr. in das hiesige Gebiet brachten, ein „bescheidenes Kirchlein“ erbaut. Diese erste Muttergotteskirche
war Mutterkirche für die Nachbarpfarreien Grosselfingen (bis 1472), für Wessingen (bis 1912) und für das Dorf Hausen, das im 30-jährigen Krieg unterging. Erstmals ausdrücklich erwähnt wird die Pfarrkirche „Unserer Lieben Frau zu Weilheim“ 1544.

Die Baugeschichte der heutigen Pfarrkirche ist eng verbunden mit Christian Debele, Weilheimer Pfarrer von 1734-1773, und mit dessen Nachfolger von 1774-1805, Josef Schwendenmann. Offenbar waren die Kirchengebäude zu jener Zeit in einem überaus schlechten Zustand,
denn Pfarrer Debele (sein Grabstein befi ndet sich an der Umfassungsmauer) begann gleich nach seinem Amtsantritt mit den Arbeiten, zu denen er Baumeister Christian Großbayer aus Haigerloch heranzog. Nach dem Umbau des Pfarrhauses wurde die Kirche erweitert. Dabei übernahm Großbayer von der mittelalterlichen Kirche das lang gestreckte Kirchenschiff mit dem Rechteckchor (von außen ist noch ein gotisches Maßwerkfenster sichtbar) und verband den bis dahin frei stehenden Turm mit dem Kirchenschiff. Nachdem die neue Sakristei vollendet war, konnte nach 4-jähriger Bauzeit am 4.8.1772 die Kirche eingeweiht werden.

Ferdinand Dent, der als fürstlicher Hofmaler die Deckengemälde schuf, erinnert mit einem Chronogramm, d.h. mit hervorgehobenen Buchstaben, die jeweils für eine lateinische Zahl stehen, an das Erbauungsjahr MDCCLVVVIII = 1768.