La paroisse de Tremblay-en-France (la « parochia de Trembleium ») existe de longue date. Mais la construction de l'église actuelle est plus récente puisqu'elle commence en 1543. Cependant, il est permis de penser qu'un bâtiment primitif occupait les lieux puisqu'une église est citée au Grand Tremblay dès le haut Moyen-âge et que ses soubassements ont livré des blocs de pierre façonnés, datés du XIIIe siècle.
L'église reçoit sa dédicace à Saint Médard en septembre 1579, soit vingt ans après la fin de sa construction qu'Hervé Revel situe en 1557. Pour donner cette date, l'historien s'appuie sur la présence des armoiries des abbés de Saint-Denis dans le décor sculptural intérieur. Sur la clef centrale de la huitième travée du vaisseau central figurent les armoiries du Cardinal de Bourbon, abbé de 1529 à 1557. Celles de son successeur, le Cardinal de Lorraine, ne se retrouvent pas dans l'église. L'actuelle église Saint-Médard est donc postérieure à la Grange-aux-Dîmes.
Le bâtiment, mis en construction au XVIe siècle, s'agrandit au XVIIIe. L'architecte, Jean-Jacques Cellerier, originaire de Dijon, se distingue à Paris entre 1772 et 1780. En septembre 1781, il se rend à Tremblay et dresse un devis pour l'édification d'une avant-nef afin de remédier à la vétusté du clocher et de la nef de l'église. Comme de nombreuses autres églises de la Seine-Saint-Denis et, notamment, Saint-Sulpice à Aulnay-sous-Bois, Saint-Pierre-Saint-Paul à Montreuil, Notre-Dame des Vertus à Aubervilliers ou bien encore Saint-Baudile à Neuilly-sur-Marne, Saint-Médard conserve des traces visibles de la période de sa construction.
L'église Saint-Médard, orientée à l'est (vers Jérusalem) se présente sous la forme d'un édifice barlong (rectangle allongé), dépourvu de transept (la nef transversale formant la croix que l'on trouve dans de nombreuses églises). Le bâtiment se compose de deux parties distinctes : la partie orientale, du XVIe siècle, comprend l'abside (où se trouve le sanctuaire), les quatre dernières travées du vaste vaisseau central voûté d'ogives. La partie occidentale, celle du XVIIIe siècle, renferme les trois premières travées, le clocher, la voûte, les colonnes et les fenêtres de la quatrième travée.
L'église connaît de multiples agressions liées à l'édifice lui-même mais aussi à son caractère sacré. Dans la seconde moitié du XVIIe, la Fronde met à mal les campagnes autour de Paris assiégé. Un blocus terrible laisse cette partie du royaume dans une grande misère comme en témoigne un Estat sommaire des misères dans la campagne et besoins des pauvres aux environs de Paris, dressé en 1652 par l'archevêque de Paris : « A Gonesse, pour toute l'estendue du païs circonvoisin, Le Bourget, Villiers-le-Bel, Aulnay, Sevran, Bondy et autres, où ont esté les dernières marches des troupes... En ce qui est des églises, l'on a trouvé les vitres cassées, les bancs rompus, les tabernacles ouverts. » A Tremblay, un procès-verbal de profanation est dressé en 1656 après que les hosties, renfermées dans le tabernacle, aient été répandues sur le sol. Cet acte bouleverse profondément les fidèles d'une époque où les délits à caractère religieux sont toujours passibles du tribunal ecclésiastique et d'un jugement sévère.
Durant la période révolutionnaire, Saint-Médard, devenu Temple de la Raison, est défigurée au sens propre puisque les figures et les épitaphes sont effacées, les statues et les tableaux sont soustraits ou détruits. Les dalles tumulaires en marbre (pierres funéraires couvrant les « personnes de qualité » enterrées dans l'église) sont descellées et vendues.
Pourtant, trois de ces dalles funéraires sont parvenues jusqu'à nous avec des indications précises pour deux d'entre elles. La première, de 1653, perpétue le souvenir d'un procureur de justice des terres et seigneuries de Tremblay, Villepinte et « aultres lieux ». La seconde, de 1693, marque le lieu d'inhumation de Pasquier Gosse, curé de Tremblay, décédé le 26 novembre 1646 à l'âge de quarante ans. Sa sépulture a été recouverte d'une dalle tumulaire en marbre blanc près de cinquante ans après sa mort.
L'édifice connaît d'autres malheurs (notamment en 1814-1815) qui s'additionnent aux dégradations naturelles du temps, nécessitant plusieurs campagnes de restaurations qui lui donnent aujourd'hui un aspect très composite. L'église est classée monument historique en 1930. Une première tranche de travaux, en 1969, permet la restauration du chœur. Une deuxième tranche, en 1976, concerne les vitraux, le clocher et la nef. Depuis 1979, les restaurations continuent après que le conseil municipal ait obtenu la maîtrise d'ouvrage.
