Dell'origine della chiesa non si hanno molte documentazioni, compare per la prima volta negli scritti nel 1537 in seguito alla visita pastiorale del principe vescovo di Trento Bernardo Clesio. 

Tuttavia sulla porta della sacrestia è riportata la data 1594, riferita a probabili lavori di manutenzione o ampliamento e dall'ultimo restauro emergono lungo le navate due affreschi risalenti al XIV e XVI secolo.                 A testimoniare la presenza di un edificio di culto di epoca più antica è poi la presenza di un pluteo longobardo datato IX secolo incastonato nella facciata, sopra la porta principale di ingresso.

Probabilmente originariamente fu dedicata al meno noto San Valentino di provenienza longobarda (come tutte le chiese dedicate a San Valentino in Trentino) e venne poi consacrata dal principe vescovo di Trento Carlo Emanuele Madruzzo mercoledì 4 giugno 1936 dedicandola a San Valentino prete e martire di Roma. Dopo un viaggio a Roma alla Basilica di Santa Maria in Cosmedin, in cui riposa San Valentino, il vescovo Madruzzo donò alla chiesa una sua reliquia (ora rubata).

La vecchia struttura è stata modificata con la costruzione del campanile su una cui pietra si trova scritta la data 1601  (sostituendo il vecchio campaniletto a vela) e fra il XIX e il XX secolo venne ampliata la navata.

Dalla testimonianza del canonico Giovanni Ricci del 1827 emerge poi che fuori dalla chiesa si trovava un cimitero protetto da muri e chiuso con una grata.

Da una relazione del 1829 si evince che la chiesa fu eletta alla dignità primissale (fra il 1827 e il 1829) e che si presentava molto umida. Dovuto dal passaggio di due torrenti ai lati della chiesa; il Salon e il Salonzel.

Dopo l'ultimo restauro eseguito fra il 2002 e il 2005 vennero ritrovate tracce di affresco lungo la parete sud della navata risalenti al XIV secolo raffigurante un'ultima cena (purtroppo quasi scomparsi) e delle scritte non decifrate sotto lo strato di affresco. Negli stessi lavori emerse un altro affresco raffigurante scene dell'Antico Testamento lungo la parete nord risalenti al XVI secolo.

L'interno della chiesa si completa con la statua dedicata al patrono San Valentino collocata in una nicchia sopra la porta della sacrestia e da due cappelle laterali una dedicata a Nostra Signora del Sacro Cuore di Gesù (a cui è consacrato il paese) e l'altra a San Biagio vescovo e martire. A dedocare le cappelle sono la statua di Nostra Signora e una pala raffigurante San Biagio benedicente realizzata dal frate francescano e pittore Carnessali, in sostituzione della precedente pala del XVI secolo di Carlo Pazzi rubata.

Il presbiterio è decorato con un dossale ligneo in foglia ora che sormonta l'altare maggiore e una pala del 1622 raffigurante San Valentino mentre celebra messa alla presenza di  San Giovanni evangelista e dei santi vescovi Vigilio di Trento e Carlo Borromeo, il tutto sovrastato dalla B.V. Maria nella gloria degli  angeli.                                                                                                                  La volta del presbierio è decorata con le raffigurazioni dei quattro evangelisti realizzati dal Carnessali.

A completare il restauro gli interventi di rifacimento della copertua, dei pavimenti, degli impianti di amplificazione e riscaldamento. Sono state infine aggiunte 4 vetrate artistiche: una nel presbiterio con un calice, pane e vite; una sulla navata nord raffigurante San Valentino; una sulla navata sud raffigutante Nostra Signora di Vignole e una come rosone con il simbolo della pace.                                                                                                                     La cella campanaria del campanile è retta da quattro bifore lungo i quattro lati della torre, alla cui base si trovava un sarcofago romano con la scritta Publicia Pusinna ritrovato lungo le rive del fiume Sarca, divenuto altare della Collegiata di Arco e venduto alla comunità di Vignole durante la sua ricostruzione. Attualmente, dopo essere stato ristrutturato dalla Soprintendenza dei Beni Culturali, si trova a palazzo Panni ad Arco.