Nonostante la maggior parte delle fonti attribuisca la costruzione della Pieve al XII secolo, vi sono diversi elementi che testimoniano un'origine forse più antica, in piena epoca carolingia, come derivazione dell'antica Abbazia di Monteveglio nell'ambito di quella che era la Provincia longobarda delle Alpi Appennine. Legata fin dal primo momento all'Abbazia di Nonantola, la Pieve controlla, all'epoca del censimento del 1291, ben 19 tra cappelle e oratori presenti tra Guiglia e Montecorone.
Quando, all'inizio del XVI secolo, il duca Alfonso I revoca il possesso del feudo guigliese ad Alberto III Pio, reo di essersi schierato a fianco dell'aggressione pontificia dei territori estensi, Leone X assegna il governo della Pieve alla Collegiata di Carpi, aprendo un duro contenzioso con il Vescovato di Modena che si sarebbe concluso solamente nel 1821.
Questa è la testimonianza di Don Giovanni Battista Giusti nel suo manoscritto del 1774: "Dissi già che la mentovata chiesa pervenne all’insigne Collegiata di Carpi, la quale pensando che sottomessa la Pieve di Trebbio così e lo stesso fosse ancora delle rispettive chiese figliali, ma ciò non avverossi, e non ne sortì l’effetto del divisato pensamento, mentre dalla lite contestata ne venne fuori innapellabile decreto che le chiese figliali della chiesa Pieve di Trebbio restassero e divenissero soggette al vescovo di Modena.
Di fatti nei libri degli arcipreti di Guiglia de’ Zanni, che conservo quivi in casa ereditati, e segnatamente nel sinodo dell’eccellentissimo cardinale Moroni emanato l’anno 1565, trovo questa memoria manuscritta da don Antonio Zanni arciprete di Guiglia, cioè li 20 settembre 1570, il fratello Francesco Alberto Manzoli Zoccolante visitatore delle chiese della diocesi di Modena a comessione dell’eccellentissimo signor cardinale Giovanni Moroni vescovo di Modena ed occupato nelle sessioni del Concilio di Trento, avendo elletto per suo loco più comodo per la convocazione e presenza de’ sacerdoti della Congregazione di Guia la casa della chiesa del Castellino delle Formiche, fece precetto alli sacerdoti di non più andare alla chiesa Pieve di Trebbio né in avenire ubbidirla sotto pena di scudi 50 e che in suo loco per l’avanti dovessero ubbidire la chiesa di San Geminiano di Guia, come chiesa primate e capella episcopale. Di più li 5 luglio 1572 monsignore Sisto Visconti ˂Visdomini˃ vescovo di Modena visitando la chiesa di San Geminiano di Guia confirmò il decreto e precetto suddetto de’ scuti 50 e li aggionse la scomunica".
Il declino della Pieve corrisponde all'affermazione della Chiesa di San Geminiano Vescovo di Guiglia come punto di riferimento sprituale per il territorio.
Tra il XIX e il XX secolo la Pieve, ridotta in uno stato di declino, è stata oggetto di un restauro assai discusso fortemente da parte di Don Ferdinando Manzini, autore di una delle numerose monografie sulla Pieve.