Origine
Avant l’an 1000 l’église paroissiale primitive de Monteux se trouvait au nord du village, de l’autre côté de la rivière de l’Auzon, route de Loriol, sur la colline dite de la Mitre (de nos jours à l’est du haut de la montée de Roléry). Elle portait le nom d’église ou de chapelle Saint-Martin. Elle avait la forme d’une croix latine.
D’après Antoine Barbie De Valaise de Mazan, qui écrivait en 1649, elle aurait été bâtie pas Charlemagne. Il n’en reste rien.
En 1090, Alrada son fils Goffridius et son épouse firent donation de cette église aux religieux de Montmajour Les Arles, avec la faculté de l’ériger en prieuré et de percevoir la dîme sur les habitants du ‘’Campus Montili’’
En 1325, les hospitaliers de St Antoine cédèrent la chapelle de leur couvent, située au centre de Monteux, au religieux de Montmajour.
Dès 1326, à l’époque de la translation de l’église St Martin, Louis Boeri, prêtre, construisit le sanctuaire et les 2 chapelles attenantes de notre église. Il y fonda une chapelle dédiée à St Louis. C’est donc autour du couvent des frères Antonins que l’église actuelle fut édifiée par agrandissements successifs. La partie la plus ancienne correspond à l’actuelle chapelle St Joseph. Elle fut dédiée à Notre Dame de Nazareth et à Saint Jean Baptiste.
En 1336, construction de l’actuelle chapelle du Sacré Cœur (autrefois Ste Catherine)
En 1353, autorisation d’Hugues D’Angoulême (évêque de Carpentras), d’inhumer des corps dans une fosse creusée dans le sol de la nef.
De 1400 à 1500, construction des chapelles latérales.
En 1565, construction de l’ancienne sacristie.
En 1606, construction du clocher.
En 1660, construction de caveau dans le sol de la nef, au nombre de 100. Ils sont consignés dans le tableau dressé sur l’ordre de Louis De Fortial De Montréal, évêque de Carpentras, lors de la visite paroissiale de Monteux, en 1661.
En 1793, au mois de Juillet (Messidor an II), le pillage de l’église durent 10 jours consécutifs. Tout est mis à sac.
En 1827, la commune fait construire le plafond actuel.
En 1840, érection de l’ancien Maitre Autel et de la Sainte Table en fer forgé et doré.
Entre 1840 et 1850, l’ancien pavé, dont les pierres formaient sépulture des 100 caveaux couvert d’inscriptions funéraires, est recouvert par le pavé actuel.
En 1850, la sacristie construite en 1565 est agrandie en y ajoutant les bâtiments de l’ancienne chapelle des pénitents noirs.
En 1896, Bénoni Auran, réalise sa première toile, au fond du sanctuaire. La fenêtre est bouchée.
En 1818, la façade est démolie et reconstruite 3.50m en retrait. Travaux entreprit avant 1914 et achevés en 1920.
En 1935 et 1945, réalisation par Bénoni Auran de quatre toiles.
En 1938, la dalle du Cœur est réalisée en mosaïques, les murs haut-dessus du sanctuaire décroutés.
En 1966, début des travaux du décroutage des murs à l’intérieur du sanctuaire après dépose des toiles de Bénoni Auran.
En 1971, consécration de l’actuelle maitre Autel par M^gr Polge, archevêque d’Avignon et le Père Combel étant curé. Plusieurs statuts et les tableaux de Bénoni Auran sont supprimés. La fenêtre centrale du sanctuaire est réouverte, celle au sud Est murée.
En 1975, démolition par la commune des deux maisons, rue St Gens, dégageant la vue extérieure du clocher et du sanctuaire. Démolition de l’ensemble des bâtiments jouxtant les chapelles nord. Création des squares D^r Bernard et Marie Mauron. 
En 1980, réalisation par la commune du chauffage à air pulsé.
En 1988, restauration et bénédiction, après réinstallation, par M^gr Bouchex, archevêque d’Avignon, de la statue de la Vierge Marie sur la porte d’entrée. Le père Hilaire étant curé.
En 1994, réhabilitation du clocher par la commune.
En 2009, la Commune fit construire une tribune destinée à recevoir l’orgue de l’Eglise Saint Martin d’Arenc de Marseille « récupéré » par les Amis de l’Orgue. Il s’agit d’un instrument construit par le grand facteur d’orgues Cavaillé-Coll Mutin en 1919. L’éclat et la solennité des célébrations liturgiques (messes, mariages, obsèques etc) sont ainsi rehaussés grâce à cet instrument aux caractéristiques exceptionnelles.

Architecture
L’Eglise est orientée vers l’Est. Sa façade, reconstruite en pierres de taille après 1918, est comme d’ailleurs le reste de l’édifice, d’une simplicité monacale. Son architecture porte les signes de la décadence du style ogival du XIV^e siècle. La porte d’entrée a 2.64 m de largeur et 5.50 de hauteur. Elle va se rétrécissant, simulant une perspective fuyante. Une imposte la coupe à la naissance de l’arc et supporte un tympan que décore une statue de la Vierge. La porte est de style gothique. Elle est formée de trois colonnettes engagées dans des nervures et soutenant des chapiteaux unis et dégradés.
Le pignon de la façade était, avant 1914, percé d’un oculus, fermé par une verrière.

A l’intérieur de l’église, il était engagé en partie dans le plafond que la commune fit construire en 1827, sous la charpentent, pour des raisons de climatisation. Lors de la réfection du mur de façade, à partir de 1918 trois fenêtres gothiques, ornées de vitraux, furent réalisées enjolivant l’extérieur et éclairant l’intérieur. Cette réfection avait permis l’agrandissement de la place, suivi de l’élargissement de la rue Porte Neuve (aujourd’hui rue Gaston Gonnet), par un retrait de 3.50m.
Ces travaux furent réalisés par M. GILLES, tailleur de pierres, sous la direction de l’architecte Valentin. Le sol de l’église est plus élevé de 0.75m que celui de la place. On accède à l’intérieur par trois marches.

L’extérieur de l’église était caché, jusqu’en 1975, au Nord, par un ensemble de maisons élevées sur les dépendances du cloitre et du cimetière des pauvres. Seul le midi (rue de la République) a toujours été en grande partie découvert, laissant apercevoir les vestiges d’une fenêtre romane de la chapelle primitive des Pères Antonins dans l’actuelle chapelle Saint Joseph.

La partie Est était, autrefois, enfouie dans les dépendances de l’ancienne chapelle des Pénitents noirs qui jouxte aujourd’hui la sacristie. A l’intérieur de l’édifice, l’église n’a qu’une nef de 40m de longueur, 14m de largeur (hors chapelles) et 15 m de hauteur. La voute en charpente, couverte de tuiles, est soutenue par 4 arcs doubleaux qui prennent croissance à 2065m au-dessus du sol et se développent sur un rayon de 11m, jusqu’à la toiture. Les deux côtés de la nef sont flanqués de chapelles qui présentent beaucoup de variétés dans leur construction. Les unes sont gothiques, d’autres romanes. Il y en a de profondes et d’autres sans enfoncement.
Ces variétés montrent que l’église a été élevée avec seulement les deux chapelles attenantes au sanctuaire, tandis que les autres, à l’exception toutefois de celle de Saint Etienne (aujourd’hui Saint Joseph) qui formait le sanctuaire de l’église primitive, n’ont été édifiées qu’au cours des deux siècles suivants par des familles nobles ou des confréries pour y établir leur sépulture et y ériger un autel au St-Patron qu’elles avaient choisi comme modèle sur la et protecteur dans le ciel.