L'église de Varennes était le siège d'une cure, avec Damrémont pour succursale, à la collation du prieur du lieu qui était également seigneur et qui percevait les dîmes. Elle était également le lieu de culte du prieuré fondé en 1084 en faveur de l'abbaye de Molesme par Rénier, seigneur de Choiseul, et son fils Roger.
L'église Saint-Gengoulf comporte une nef du 13e siècle mais la date de 1675, gravée sur un cartouche placé dans la nef sur le 3e pilier sud, atteste de la réfection des voûtes après la guerre de Trente Ans. La façade occidentale et le clocher ont été construits au 18e siècle.
Le 4 mai 1852, l'architecte Jean-Henry Barbier établit un devis afin de reconstruire deux travées de la nef, le choeur et la toiture mais son projet ne fut pas retenu. En février 1855, Rodolphe-Eugène Petitjean dressa des plans et des devis pour reconstruire le choeur, les sacristies, le transept avec les chapelles de la Vierge et de saint Gengoulph, la toiture et revoûter la première travée de la nef (en brique).