A l'emplacement du village actuel se trouvait, d'après la légende de saint Dizier, un oratoire dédié à saint Martin. C'est là que fut enterré Desiderius, futur saint Dizier et son diacre Regenfroid (ou Reinfroid), après avoir été assassinés à Croix par des brigands, dans les années 670. Vers 736, le comte Eberhard, fils du duc d'Alsace, fait don à l'abbaye de Murbach (créée en 728) de la villa Datira (Delle) ainsi que l'église où se trouve le corps de Dizier.
Une église existait donc déjà à l'époque mérovingienne et le tombeau de Dizier faisait l'objet de pèlerinages importants où étaient amenés les malades mentaux ; la thérapie consistait entre autres à faire ramper le patient dans un étroit passage situé sous le sarcophage du saint. Cette église fut reconstruite au début du XIe siècle et inaugurée en 1041.

L'église de Saint-Dizier est une des plus anciennes de la région. Bien sûr il ne reste sans doute plus rien de l'oratoire de Saint-Martin où Desiderius lui-même a célébré la messe vers 670. De l'église construite au début du VIIIe siècle subsisteraient une absidiole et la partie inférieure du clocher-porche.
La construction de 1041 ne conserve que quelques murs et le plan de l'édifice précédent. Vers 1575, nouvelle construction où le plafond horizontal est remplacé par des voûtes en croisées d'ogives, ce qui oblige à ajouter des contreforts extérieurs.
Au début du XVIIIe siècle, la toiture est entièrement modifiée. Plusieurs aménagements ont été effectués au XIXe siècle, en particulier vers 1853, 1875 et 1881.
Le clocher fut surélevé en 1875 et l'orientation du faîte de son toit à deux pans a été tournée de 90 degrés. C'est en 1937 que le terme « l'Évêque » a été adjoint au nom de Saint-Dizier pour désigner le village en évitant l'homonymie avec les autres Saint-Dizier de France.