La història de l'església de Sant Miquel està íntimament lligada a la del castell d'Olèrdola. Aquest va ser construït pel comte Sunyer pels volts de l'any 929, sobre les ruïnes de l'antiga fortalesa romana que hi havia hagut en aquest indret.

L'església va ser consagrada pel bisbe Teodoric vers l'any 935. El temple, com el castell, va estar sovint amenaçada per les ràtzies musulmanes. En l'any 985 Almanasor va atacar la fortificació i en  aquest atac va resultar molt afectada l'església, fins al punt que va caldre reconstruir-la i fer una nova consagració. Aquesta es va produir l'any 992 pel bisbe Vives de Barcelona.

En el segle XI i gràcies a les nombroses donacions que rebia el temple, es decideix ampliar-lo. Malauradament, aquesta ampliació va durar ben poc, doncs en 1108 va ser parcialment destruïda per un atac almoràvit. Amb la intenció que fos reconstruïda, el comte Ramon Berenguer III va donar el temple a la catedral de Barcelona. A partir d'aquell moment, l'església va entrar en un període  de decadència, que va culminar l'any 1885, quan va perdre la condició de parròquia, moment en que es va beneir el nou temple ubicat en el poble de la Plana Rodona.

Entre els anys 1926 i el 1928 va ser restaurat per la Diputació de Barcelona. Durant la Guerra Civil va patir alguns desperfectes, que es van reparar a partir de 1953. En aquesta restauració es va decidir eliminar totes les capelles afegides al llarg dels segles, així com la decoració interior, amb l'objectiu de recuperar l'aspecte que devia tenir en el segle XI.

L'edifici té una sola nau força llarga. Està coberta amb una volta de canó, reforçada per dos arcs torals.

Els murs laterals també estan reforçats amb quatre arcs formers.

L'absis es troba orientat a llevant. Té planta rectangular i coberta de volta de canó.

La seva volta, així com la part superior dels murs, correspon a una reforma feta en època alt-medieval, quan mantenint el seu perímetre, es van sobrealçar els seus murs. Malauradament, en la darrera restauració es va decidir tornar a arrebossar la part interior dels seus murs, impedint que es pugui veure la diferència entre les dues fàbriques i el perímetre de l'antiga volta. Curiós criteri...

És per aquest motiu que s'obren dues finestres, corresponents als dos moments constructius. La del nivell inferior és d'una sola esqueixada, mentre que la superior és de mig punt i de doble esqueixada.

En el tram de la nau més proper a la capçalera la volta de canó es va substituir per una cúpula semiesfèrica, recolzada en quatre trompes.

La cúpula es manifesta a l'exterior per un cimbori octogonal. En la seva part superior hi ha un basament quadrat. Això fa pensar que hi havia un campanar de torre, similar al de Santa Maria de Terrassa o Sant Ponç de Corbera. Novament hem de lamentar que no s'hagi conservat fins els nostres dies.

Posteriorment es va construir en el seu lloc un campanar d'espadanya de dos ulls. En la darrera restauració s'ha refer un dels dos arcs.

L'actual porta d'accés es troba en el mur oest. Té un arc de mig punt, fet amb grans dovelles i emmarcat per un guardapols, que es transforma en imposta. Els brancals i la part interior de l'arc esta decorats amb un doble solc semicircular.

Però aquesta no és l'única porta que tenia el temple. En el mur sud podem veure les traces de tres portes més, ara cegades. Una d'elles es conserva sencera amb un arc de mig punt extradossat. Al seu costat hi ha el muntant esquerre d'una porta anterior, probablement l'original. Més a l'est trobem els muntants d'un altra porta, probablement l'accés a una capella, ara desapareguda.

En el mur oest, al damunt de la porta, trobem un dels elements més interessants del temple: una bella finestra geminada.

En 1926, durant les obres de restauració, es va descobrir la columna i el capitell d'aquesta finestra, doncs havia estat tapiada. El seu fust està decorat amb tres anelles amb soguejat. El capitell, que forma part del mateix bloc de pedra, està decorat amb motius vegetals i geomètrics, poc destacats en relleu. Malauradament el fet que fos cegada la finestra, ha provocat la mutilació d'algunes parts del capitell.

Aquest element té moltes similituds amb els que podem trobar a San Miguel de la Cogolla o a Santa Eulàlia de Toledo. Amb gairebé tota seguretat, aquest capitell formava part del temple original pre-romànic i es va reaprofitar en el nou temple.

En el Museu d'Olèrdola es conserva un altre capitell, també vegetal i força malmès. La seva datació aproximada podria ser durant la primera meitat del segle X.

Adossat a l'absis pel costat de tramuntana trobem l'absis de l'església anterior, la que es va construir entre els anys 929 i 935.

De la resta del temple primitiu només ens queda el perímetre de la nau rectangular i un d'un cos adossat a ponent, probablement un atri o una torre.

L'absis és l'únic que s'ha conservat, de planta  quadrada per l'exterior i amb un arc ultrapassat a l'interior. Dues finestres il·luminaven aquesta estança: una al llevant i l'altra a migdia. Aquesta darrera es va cegar quan es va construir el segon temple

Actualment les dues edificacions es comuniquen per un petit passadís força estret.

Però l'element més destacat d'aquesta edificació és el seu arc triomfal, avui en dia convertit en porta d'accés. Té forma de ferradura, que arrenca de dues impostes en cavet.

Al voltant de l'església, podem trobar diversos enterraments excavats a la roca. Es tracta de tombes antropomorfes del segle X, és a dir del moment de la construcció i existència del temple pre-romànic.