Pirmoji medinė bažnyčia Nemajūnuose pastatyta 1623 m. Jai sunykus kitą šventovę 1786 metais fundavo Paverknių dvaro savininkė Kristina Ragožaitė – Kačanauskienė, tais metais veikė ir Nemajūnų parapinė mokykla. 1862 metais buvo patvirtintas mūrinės bažnyčios projektas (kaip manoma architekto Tomo Tišeckio), bet vyriausybė uždraudė ją statyti patardama restauruoti senąją. Nepaisant valdžios prieštaravimų, buvo pradėtos naujos bažnyčios statybos. Po metų statyba nutrūko, nes geriausi meistrai išėjo į sukilėlių būrius, o ir pats klebonas Pranciškus Kazlauskas padėjo sukilėliams, palaikė su jais ryšį. Už tai klebonas buvo areštuotas, iš jo atimtas dvasininko titulas, o vėliau ištremtas į Sibirą. Miestelyje buvo apgyvendintas žandaras. Gyventojai nenurimo, vis prašė leidimo toliau statyti bažnyčią. Kaip tik tuomet į Nemajūnus atkeliamas klebonas Anzelmas Nonevičius, kurio pirmasis išsilavinimas buvo susijęs su architektūra. Klebonas ant pradėtos mūrinės bažnyčios pamatų tęsia statybą, bet jau medinės bažnyčios. Bažnyčia buvo statoma be leidimo. Ją statė patyrę meistrai: Šulcas, Feifaras ir kt., interjerą dekoravo skulptorius H.Eismontas ir kiti menininkai. Tuo tarpu klebonas už savavališką statybą 1877 m. buvo nubaustas 150 rublių bauda.

Nemajūnų bažnyčia su dviem fasadiniais bokštais ir bokšteliu ant stogo yra vienintelis originalus medinės neogotikos liaudies meistrų kūrinys Lietuvoje, tačiau joje persipina ir kiti architektūros stiliai. Pagrindinė kompozicijos idėja – romantinė viduramžių nostalgija, siekimas imituoti žinomo gotikos paminklo – šv. Onos bažnyčios pagrindinį fasadą. Stačiakampis bažnyčios planas sukurtas pagal klasicizmo tradicijas, tuo tarpu stambiam pastato kupolui, iš dalies ir dvibokštei fasado struktūrai bei interjero kompozicijai būdingi neobaroko bruožai. Bažnyčios ilgis 45 m, plotis - 24 m.

Bažnyčios interjerą puošia spalvoto stiklo vitražai, kurie prie didžiojo altoriaus sudaro įdomius geometrinius derinius. Sankt Peterburgo dailės akademijos akademikas, dailininkas Nikodemas Silvanavičius šiai bažnyčiai nutapė du paveikslus – „Šv. apaštalai Petras ir Povilas“ (1833 m.) bei „Kristus ir šv. Marija Magdalietė“ (1892 m.). Abu jie puošia didįjį altorių. Negalima nepastebėti vilniečio meistro F.Tydmano 1852 m. pagamintų vargonų.

1972 m. klebono Juozo Matulaičio iniciatyva bažnyčia buvo suremontuota. Betoninės grindys pakeistos medinėmis, padaryti suolai besimeldžiantiems. Prie pagrindinio altoriaus pastatyti šoniniai altoriai, pagamintos naujos stacijos. Atrastas kadaise užkastas varpas vėl įkeltas į bažnyčios varpinės bokštą.