El lloc de Vilallonga apareix l'any 1022, quan Seguí, senyor del castell de Castellar, la va llegar al seu fill Company. L’existència de l’església es constata a partir de l’any 1043. Vers l’any 1062 l’edifici es degué refer de nou, hi ha un testament, el de Golfret que deixà un mancús a Sant Valentí de Vilallonga per la seva dedicació. L’església feia funcions parroquials fins al segle XIII, quan probablement el creixement de la vila de Sant Martí Sesgueioles motiva l’intercanvi de papers, l’església de Sant Martí passa a ser la parroquial i Sant Valentí resta com a sufragània, condició que va mantenir fins l’any 1794, quan passa ser merament capella rural.
La capella actual fou beneïda l’any 1668, segons alguns autors, o bé el 1699, segons d’altres. El que sí està clar és que fou a finals del segle XVII, durant un període de prosperitat a la població.
La campana actual va ser una donació al poble de la família Gelonch.
