L'église Saint-Barthélemy de Meilhan, qui n'est pas mentionnée dans le Liber rubeus de la cathédrale de Dax (seconde moitié du XIIe siècle), a probablement été érigée à la fin du XIIIe siècle, car le testament d'un certain Gensac Lambert, rédigé en 1287, fait état d'un legs de dix sous destiné à sa construction. Cette église primitive est connue - mais sans doute dans un état déjà modifié à plusieurs reprises - par le procès-verbal de la visite de Mgr Lannéluc en juin 1841, qui décrit un édifice à nef unique (mais avec un projet de construction de deux bas-côtés) et par la lithographie publiée en 1842 dans la Guyenne historique et monumentale de Ducourneau, qui montre en effet une nef unique flanquée de chapelles latérales - l'une au sud dédiée à la Vierge, deux au nord sous l'invocation des saints antipesteux Fabien et Sébastien et de saint Jean (Baptiste ?) - et précédé d'un clocher-mur à pignon triangulaire qu'empâte un porche à pans coupés.

Cette gravure est antérieure de quelques années seulement à une reconstruction quasi totale opérée en plusieurs campagnes entre 1844 et 1894. En 1846-1847, l'architecte saint-séverin Michel Destenave prolonge la nef vers l'ouest et érige un grand clocher-tour. Quelques années plus tard, l'architecte diocésain Jules Sibien soumet les plans d'une reconstruction complète qui ne sera que très partiellement réalisée : les collatéraux semblent construits à cette occasion. Un autre projet de reconstruction à neuf, présenté anonymement en 1894, reste aussi lettre morte. On se contente alors d'exhausser les murs des bas-côtés, de couvrir les trois vaisseaux d'une toiture unique à deux versants et d'agrandir et régulariser les fenêtres, travaux mineurs exécutés par l'entrepreneur Desmouliès. Ne subsistent de l'église médiévale, après cette dernière campagne, que quelques éléments des murs du chevet, dont, côté nord, une petite baie à tête trilobée du XIVe siècle qui sera détruite à son tour lors des remaniements du XXe siècle.

Entre 1959 et 1962, en effet, une vaste campagne de rénovation intérieure est menée à l'initiative du curé Lucien Eugène Dulucq (1909-?), conseillé par l'abbé Jean Cabanot (1929-2021), historien de l'art roman natif de Meilhan. Ces importants travaux, qui modifient en profondeur l'aspect de l'édifice, sont exécutés sur les plans de l'architecte montois Jean Latappy (1912-1992), tandis que le verrier et sculpteur albigeois Raymond Clercq-Roques (1927-1977) renouvelle entièrement le décor intérieur. Les murs de la nef et du chœur sont dépouillés de leurs pilastres, corniches et autres modénatures, et entièrement crépis ; le plafond à doucines en plâtre est supprimé afin de laisser la charpente apparente (refaite). Enfin, Clercq-Roques installe dans le chœur une vaste verrière-écran qui nécessite l'agrandissement des trois fenêtres existantes et le percement de deux nouvelles fenêtres, afin de procurer à ce "mur de lumière" l'éclairage nécessaire. Ces divers aménagements ont fait de l'église de Meilhan l'un des édifices religieux landais où la réflexion sur le renouveau liturgique (avant même la tenue du concile Vatican II) a été la plus approfondie.