La chiesa primitiva di Sant'Agostino di Vagli, dedicata a San Regolo, era costituita da un edificio a pianta rettangolare con un'unica
abside corrispondente all'attuale
navata maggiore.
In facciata è ancora presente l'antico ingresso rappresentato da un
portale con
arco a tutto sesto analogo a quello che si apre sul lato meridionale. Ad un'epoca successiva - che probabilmente coincide con l'acquisizione della chiesa da parte delle Suore Agostiniane alla fine del Trecento - risale l'ampliamento dell'edificio, al quale fu addossata una navata minore con abside semicircolare.
Al XVII secolo risalgono alcuni interventi, tra cui le importanti riparazioni sulla copertura della chiesa, mentre novecenteschi sono ulteriori interventi di restauro, tra cui la realizzazione di un'intercapedine sul lato nord dell'edificio.
Recenti scavi condotti nei pressi della chiesa hanno messo in luce una necropoli dei secoli XIII-XVI.