La paroisse de Méguillaume est fondée au XIe siècle. Une étude de dendrochronologie de l'église menée en 2015-2016 a permis de dater les bois de la charpente de l'année 1383-1384. Certains éléments architecturaux et décoratifs (triplet roman, peinture murale) paraissent antérieurs au XIVe siècle. Un premier clocher est construit au XVIe siècle, il est remplacé par le clocher actuel au XVIIIe siècle, à la suite d'un incendie qui affecte l’édifice en 1742. En 1822, la commune de Méguillaume est rattachée à celle de Chênedouit et son église dédiée à saint Sébastien devient la chapelle vicariale Notre-Dame. L'édifice est restauré entre 2015 et 2017 à l’initiative de l'association des Amis de l’Église Saint-Sébastien de Méguillaume. Les restaurations ont permis de redécouvrir le triplet présent dans le chœur (la baie centrale avait été vraisemblablement murée pour installer le retable du maître-autel) et des peintures murales.