1530 m. Drohičino seniūnas ir Slonimo laikytojas Jonas Mykolas Radvila Švč. Trejybės, Švč. Mergelės Marijos Snieginės, Šv. Kryžiaus, Devynių tūkstančių kareivių ir kitų šventųjų garbei pastatė medinę bažnyčią.

1744 m. Dusetų dvaro valdytojas, grafas Jonas Liudvikas Pliateris ją perstatė. Pastatas buvo medinis, kertuotas, su dviem aukštais bokštais. Viduje buvo įrengti 6 altoriai, kurie vėliau buvo papuošti gausiomis dusetiškio Leonardo Gogelio darbo medžio skulptūromis. Altorių paveikslai tapyti italų dailininkų. Tuo pačiu metu buvo pastatyta barokinė mūrinė keturių aukštų varpinė, kurios pirmame aukšte buvo įrengta Šv. Kryžiaus koplyčia su altoriumi (varpinė įtraukta į saugotinų paminklų registrą). Dabartinė mūrinė bažnyčia statyta 1886–1888 metais klebono Antano Rumševičiaus pastangomis. Pastatas – neoromaninio stiliaus, su eklektiškais nukrypimais. Viduje trys navos su skliautais, trys plytiniai altoriai. Juose yra dalis senųjų L. Gogelio skulptūrų. 1930 m. bažnyčią dekoravo Vladas Čižauskas iš Šiaulių. Dusetų bažnyčia buvo vienas iš lietuvybės židinių lenkų okupacijos laikotarpiu.

Dusetų bažnyčioje yra vienas istorinis (vargonai) ir penki dailės paminklai: centrinis altorius, sakykla, du kilnojami altorėliai ir paveikslas „Marija su kūdikiu“. Vargonai buvo įrengti XIX a. pabaigoje, romantiniai. Meistras nežinomas, manoma, kad 1886 m. pastačius bažnyčią, vargonus įrengęs vokiečių meistras. Medinis centrinis altorius, įrengtas XIX a. 2-oje pusėje, turi pereinamųjų iš baroko į klasicizmą stiliaus bruožų. Altorius dekoratyvus, pasižymintis architektūrinių formų ir jame esančių skulptūrų darna. Paveikslas „Marija su kūdikiu“ nutapytas aliejiniais dažais ant drobės, užklijuotos ant medžio, su kalstyto metalo aptaisais, kurie dengia drabužius ir foną. Aptaisai sukurti XVIII a. pirmoje pusėje ir yra nevienalaikiai su tapytu kūriniu. 1746 m. grafai Pliateriai padovanojo juos Dusetų bažnyčiai.