Antazavėje 1782 m. minima dvaro koplyčia. Ją retkarčiais aptarnaudavo Dusetų kunigai. Bažnyčia pastatyta 1794 m. dvaro savininkės Kunigundos Valavičiūtės-Pliaterienės rūpesčiu. Dvaras bažnyčiai paskyrė 3 dešimtinių žemės sklypą. Jame pastatyti ūkiniai pastatai, medinė klebonija. 1827 m. išmūryta šventoriaus tvora. Greičiausiai tuo metu pastatyta mūrinė varpinė. XIX a. viduryje parapijai priklausė 40 dešimtinių žemės. 1908–1911 m. veikė Lietuvių katalikų blaivybės ir „Saulės" draugijų skyriai. 1910 m. bažnyčia restauruota. Per Pirmąjį pasaulinį karą vokiečiai bažnyčioje įsirengė karinę ligoninę (pamaldos laikytos kapinių koplyčioje). Į Rusiją išvežti 4 varpai. Tarpukariu įsigytas l varpas. 1922 m. parceliuojant Antazavės dvarą bažnyčiai duota 37 ha žemės.

1939 m. remontuota šventoriaus mūrinė tvora. Tada panaikintos sunykusios Kryžiaus kelio stočių koplytėlės (statytos 1889 m.). Bažnyčios sienos 1941 m. suveržtos ir ištiesintos, įdėti nauji pilioriai, pakeistos supuvusios dalys. 1943 m. suremontuoti šventoriaus vartai.

Bažnyčia turi baroko architektūros bruožų, bazilikinė, kryžminio plano, su trisiene apside, dvibokštė, su bokšteliais. Vidus 3 navų, įrengti 3 altoriai. Prie šventoriaus tvoros glaudžiasi akmenų mūro varpinė. Šventoriuje palaidotas nuo 1963 m. Antazavėje klebonavęs Antanas Mikulėnas (1919–1986).