Antalieptės bažnyčia pastatyta iki 1685 m. (nuo tų metų pradėtos rašyti metrikų knygos). Naujos bažnyčios ir basųjų karmelitų vienuolyno fundatoriai buvo Strutinskai. 1732–1734 m. pastatytas vienuolynas, 1732–1760 m. – bažnyčia, pašventinta 1763 m. Vienuoliai buvo įkūrę parapinę mokyklą. 1804–1832 m. pastatytas mūrinis vienuolynas. Rusijos valdžia 1832 m. vienuolyną, parapinę mokyklą ir bažnyčią uždarė. Liturginiai reikmenys išdalyti kitoms (daugiausiai Vencavų ir Jūžintų) parapijoms. Vienuolynas pertvarkytas į kareivines. Architektas Tomas Tišeckis 1846 m. parengė bažnyčios pertvarkymo į cerkvę projektą. Cerkvė įrengta 1846–1850 m., remontuota 1858-1861 ir 1873 m. 1893 m. įkurtas moterų stačiatikių vienuolynas, įsteigta mergaičių mokykla, rengusi pradinių mokyklų mokytojus.

Per Pirmąjį pasaulinį karą vokiečiai nuniokojo bažnyčią ir jos rūsius. 1918 m. bažnyčia grąžinta katalikams. Klebonas Stanislovas Stakele ėmėsi ją remontuoti: parūpino religinių rūbų, indų. Klebonas D. Vaitkevičius atstatė altorius. Klebonas Pranciškus Strakšas bažnyčią nutinkavo ir nudažė. Kunigo Petro Remiazo rūpesčiu dailininkas V. Bičiūnas išdažė bažnyčios vidų. Klebonas Antanas Kripaitis pastatė suolus, parūpino paveikslų. Per Antrąjį pasaulinį karą bažnyčia apgriauta. Po karo suremontuota. Klebonas Jonas Bubas (1901–1969) 1951 m. vasario 9 d. suimtas, nuteistas 10 m. kalėti, į Lietuvą grįžo 1956 m. 1952–1956 m. kalintas kunigas Juozapas Lomanas (1899–1959).

Bažnyčia barokine, vienanavė, su 2 fasado bokštais. Presbiterija siauresnė ir žemesnė už bažnyčios navą. Už presbiterijos yra žemesnė koplyčia su bokšteliu. Šventoriaus tvora aukšta, mūrinė. Jame palaidotas 1970–1988 m. Antalieptėje klebonavęs kunigas Jonas Jatulis (1908–1989), 1946–1956 m. kalintas.

Vienuolyno patalpose 1919–1924 m. veikė pradinė mokykla. 1924 m. į vienuolyną atsikėlė Švč. Jėzaus Širdies kongregacijos seserys. Jos įsteigė mergaičių žemės ūkio mokyklą, vaikų darželį, vaikų prieglaudą, amatų mokyklą, vienuolių naujokyną. Vasarą vienuolyne buvo kunigų poilsio namai (čia kurį laiką 1933 m. gyveno iš SSRS grįžę kunigai).