Dès l'époque romaine, un premier lieu de culte a pu être fondé dès les premiers siècles du christianisme, comme l'indiqueraient son vocable Saint-Etienne et la présence de sépultures très anciennes à proximité de l'église actuelle. Bien qu'il n'apparaisse qu'au milieu du 12ème siècle dans les textes, ce sanctuaire aurait continué sans interruption à servir d'église paroissiale, même lorsque les habitants durent se réfugier, à l'époque des grandes invasions, sur l'éperon rocheux défendu par les rivières de la Broye et de la Mérine.

La construction de l'église sur son plan définitif débuta peu avant 1281. En 1332, trois voûtes et deux arcs-boutants sont construits, suivis dès le 14ème siècle, par les autels ou chapelles secondaires. Au milieu du 14ème siècle, on dénombre à Saint-Etienne neuf chapelles et autels secondaires. Quatre autres sont encore fondés avant 1400, et les cinq derniers entre 1458 et 1523, portant leur nombre à dix-huit.

La construction du clocher occupe presque toute la première moitié du 15ème siècle. La tour paraît achevée en 1420-1422 mais vers 1425, on décide de l'aménager en clocher, en exhaussant la construction. Entre 1475 et 1536, Moudon connaît une nouvelle période faste, exprimée à Saint-Etienne par d'importants enrichissements. De 1506 à 1508 environ, les grandes voûtes sont ornées de peintures et les murs reçoivent un enduit.

La conquête du Pays de Vaud par les Bernois entraîne le passage forcé de Moudon au culte réformé et la démolition des 18 autels secondaires, en 1536. Vers 1563, le mobilier s'enrichit. Une grande table de communion en pierre soutenue par six pieds est posée. En 1695, parallèlement à de nombreux transferts et à la création de bancs, on remplace l'ancienne chaire de bois, confectionnée en 1555, par celle de molasse qui existe encore. L'apport essentiel du 18ème siècle est l'installation, en 1764, des orgues et de leur tribune actuelle, ainsi que de plusieurs monuments funéraires.