L'église primitive date du XIe siècle, probablement lors de l'arrivée des moines bénédictins de Saint-Melaine dans la paroisse. On peut encore voir aujourd'hui dans le mur de la nef une taille en arête de poisson qui remonterait de cette époque. L'édifice ayant subi des modifications, la plupart de ses murs remonteraient du XVe siècle.
À l'origine, l'église Saint-Pierre de Pleumeleuc appartenait au seigneur de Montfort-sur-Meu, car il avait des droits de supériorité et de fondations sur l'édifice. Mais en 1630, le duc de la Trémoille vendit au seigneur de la Besneraye, François Glé, l'église et donc les droits sur le monument. C'est pour cette raison que l'on peut voir sur les vitraux de l'église les écussons du seigneurs de la Besneraye. Au XVIe siècle, les chapelles de la façade-ouest sont rajoutées.