Chapelle succursale de la paroisse de Saint-Ouen, elle aurait été construite dans les années 1530. Une pierre avec inscription gravée placée dans le mur sud de la nef évoque des bulles de fondation données par un dénommé Delaunay et Demery, son épouse, en 1530 (Jeanson) ou 1533 (Bosseboeuf). La construction est généralement attribuée à Adrien Tiercelin de Brosses, chambellan du roi, capitaine-gouverneur de Loches et seigneur de Pocé, à cette époque : l'édifice est d'ailleurs placé sous le vocable de saint Adrien.

Au 18e siècle, les seigneurs de Pocé demandent à l'archevêque de Tours, l'érection de la succursale en cure en 1715, puis en 1748, mais sans succès. Une nouvelle demande est formulée par Jean de Cop, seigneur de Pocé, en 1766. En août 1771, l'archevêque de Tours détache, par ordonnance, la partie sud de la paroisse de Saint-Ouen pour créer celle de Pocé et érige la chapelle en église.

En 1808, l'église est jugée comme étant "en très bon état elle est recarlée à neuf et blanchie depuis deux ans, il n'y a que de légères réparations à faire à la couverture qui a été un peu endomagée par les grands vents et les pluies de cet hiver". La couverture nécessite des réparations en 1810 et en 1823-1824.

En 1836, les habitants de Pocé écrivent au conseil général "que leur église n'ayant que vingt quatre pieds de long sur autant de large à partir du sanctuaire, peut à peine contenir deux cents personnes qu'elle fut construite pour une population qui ne dépassait pas ce chiffre dans un temps ou les cinq ou six hameaux qui environnaient Pocé et Pocé lui-même dépendaient totalement de la cure de St Ouen [...], qu'elle fut alors elle-même érigée en église paroissiale que l'augmentation de population qui avait nécessité cette mesure, devient encore plus sensible dans la suite, en sorte que le recensement nouvellement fait porte la population actuelle à huit cent trente cinq âmes, qu'elle ne peut manquer de devenir encore plus considérable en égard à la multitude d'étrangers que l'heureuse situation du haut fourneau de Pocé attire dans cette commune d'où l'on doit nécessairement conclure que le temps n'est pas éloigné où l'église actuelle ne pourra plus contenir qu'un sixième de la population de la paroisse". L'édifice est donc agrandi entre 1839 et 1845 par l'ajout d'un bas-côté au nord de la nef, la construction d'une nouvelle façade occidentale et d'un nouveau clocher. La sacristie située à cette époque à l'emplacement de la chapelle de la Vierge actuelle est ensuite installée dans une partie du presbytère. Les travaux sont adjugés à Armand Lesourd, peintre vitrier entrepreneur en bâtiment à Amboise, sous la direction de Sylvain Chataignier, architecte à Amboise.

L'église est endommagée lors des inondations de 1846 et 1856 : des travaux de restauration du carrelage et des pierres de soubassement sont réalisés.

En 1874, la façade, dont les travaux de construction sont restés inachevés, nécessite des travaux de restauration et d'achèvement de la maçonnerie. Les travaux confiés à Charles Cosnier, sous la direction de Le Pladec, architecte à Amboise, sont réceptionnés en 1878.

En janvier 1924, la gendarmerie indique dans un rapport qu'en septembre 1922 "des planches provenant des abat-sons du clocher sont tombées dans la rue, sans occasionner d'accident. Quelques jours après leur chute une autre planche est tombée du clocher dans la rue au moment où le facteur de la commune passait, celui-ci ne fut pas atteint. [...] depuis ces incidents aucun autre objet n'est tombé du clocher. A l'heure actuelle celui-ci, bâti en bois est couvert par des plaques de zinc, ses baies sont fermées par des abat-sons. Cinq lames de ceux-ci manquent, ce sont celles tombées autrefois dans la rue. Celles qui restent sont solides et dans l'ensemble le clocher ne semble pas menacer de s'écrouler (sous toutes réserves). La charpente de l'église, elle, est très endommagée, il pleut à l'intérieur, des réparations de première nécessité pour la conservation du bâtiment sont à faire". En février 1924, Georges Benoit, architecte à Amboise, écrit au préfet afin de l'alerter sur le fait que les stalles classées "occupent dans l'église un endroit dépourvu de toiture et sont exposées à toutes les intempéries au point qu'elles sont pleines de moisissures et ne tarderont pas être complètement ruinées. La commune de Pocé, pour des raisons que j'ignore ne veut rien faire pour sauver ces restes de l'art ancien, malgré mes instances auprès du maire". Une société "Mon clocher" est créée afin d'organiser une souscription pour la restauration de l'édifice. Les travaux de restauration de la charpente, de la toiture, de la façade et des vitraux s'échelonnent jusqu'en 1929 sous la surveillance de Bélard architecte à Amboise.

En 1962-1963, le clocher et le beffroi sont entièrement reconstruits sous la direction d'Yves Robert-Niel architecte à Amboise.

En 1992, le sol du choeur s'affaisse : la crypte située en dessous est remblayée et le carrelage du choeur refait. La restauration intérieure de l'église (maçonnerie, électricité, chauffage, peinture) sous la direction d'Arnaud de Saint-Jouan, architecte en chef des Monuments historiques, est achevée en 1998.

La façade est de nouveau restaurée en 2012.