Attestata fin dal X secolo, quando è ripetutamente citata come chiesa "intus castellonovo" soggetta alla Pieve di Fosciana, questa chiesa, che risulta fondata dal presbitero Teuperto, fu abbattuta e ricostruita a metà del XV secolo: del 1456 è la concessione a demolire la vecchia S. Pietro per costruirne una più grande e la "Visita Pastorale" del 1467 registra già la chiesa completata. Di lì a poco venne innalzato anche il nuovo campanile. L'esigenza di dotarsi di un nuovo, più ampio e moderno edificio è certamente collegata alla nuova dignità assunta da Castelnuovo, divenuta in quel secolo capoluogo della Garfagnana estense. Assieme ad altre parrocchie di questo territorio fu trasferita nel 1822 alla neo-istituita diocesi di Massa: tornò nella diocesi di Lucca solo nel 1992.
L'edificio attuale mantiene pressoché intatto l'impianto rinascimentale, mentre i successivi interventi barocchi sono stati annullati dai lavori di restauro effettuati dopo la Seconda Guerra Mondiale, durante i quali furono eliminati i 12 altari in legno dorato e dipinto, descritti già nella "Visita Pastorale" del 1658. L'interno, a tre navate con colonnati in arenaria, conserva numerose opere d'arte tra cui una tela raffigurante la Madonna tra i santi Andrea e Giacomo, un tempo attribuita a Michele di Ridolfo del Ghirlandaio, oggi riconosciuta come opera di Giovanni Antonio Sogliani, e una pala in terracotta invetriata policroma con San Giuseppe, ascrivibile all'ambito di Andrea della Robbia. Da segnalare inoltre un grande Crocifisso ligneo oggetto di particolare devozione, detto, a causa della patina scura che lo ricopre, il Cristo nero, la cui presenza in chiesa data almeno al XVI secolo.