La pieve di San Paolo fu citata per la prima volta in un documento dell'873 d.C. Tra il X e l'XI secolo la pieve di Vico Pancellorum fu gestita da un gruppo di chierici, per passare in seguito nelle mani di uno dei gruppi signorili della Valdilima, che riscuoteva le decime. Il territorio amministrativo della pieve non era particolarmente esteso, ma percepiva rendite piuttosto elevate. La prima fase costruttiva dell'edificio oggi superstite risale al XII secolo e presenta un impianto a tre navate con abside semicircolare. Anche la costruzione del campanile, che si eleva nell'angolo nord-est, isolato dalla chiesa, si può datare al XII secolo. Nel Cinquecento, probabilmente a causa di cedimenti strutturali o di qualche evento sismico, fu aperto un secondo ingresso nel lato Nord e ricostruita integralmente l'abside. A questo intervento si riferisce probabilmente l'iscrizione presente sul portale maggiore che reca la data 1545. In età barocca la chiesa fu ristrutturata, intervento che comportò l'apertura di finestre quadrate nella navata maggiore e la chiusura delle monofore medievali. Alla stessa epoca risale probabilmente l'innalzamento del campanile e la costruzione dell'edificio a sud della chiesa, che ingloba la parte bassa della zona absidale. Nel corso di un intervento più recente, operato intorno agli anni venti del XX secolo, in seguito a un terremoto, furono ripristinate le monofore medievali, venne inserita una finestra circolare sulla facciata e fu realizzato il coronamento a merli del campanile. La costruzione conserva la semplicità architettonica dell'originaria parte absidale e della facciata medievale, mentre le murature centrali e le volte di copertura sono andate distrutte. Nelle sue forme attualmente visibili, l'edificio è il frutto di un'importante ricostruzione realizzata nel 1830.