La construction d’une église fut réclamée par les habitants du hameau des Valayans, situé à 9 kms de l’église paroissiale de Pernes-les-Fontaines, et financée par souscription sur leurs propres deniers.
La construction, commencée en 1852, fut confiée à l’architecte diocésain Joseph Joffroy, et les travaux réalisés par l’entreprise Celin d’Avignon.
La nouvelle église, sous le vocable de l’Immaculée Conception, a été consacrée le 18 mars 1855 par l’archevêque d’Avignon.
La chapelle fut érigée en succursale en 1857. Considérée comme bien personnel des habitants des Valayans, l’église ne fut pas transférée à la commune de Pernes-les-Fontaines avec la loi de 1905. Elle a été cédée à titre gratuit par l’association paroissiale à la commune le 19 mai 1988.
Elle est inscrite au titre des Monuments Historiques depuis 2014.