Ende des 10. Jahrhunderts ging Romainmôtier in den Besitz der Abtei von Cluny (Frankreich) über. Die Äbte bauten die Gebäude zu einer Klosteranlage um. Die Bauarbeiten dauerten mehr als ein Jahrhundert.
Anfang des 11. Jahrhunderts liess Abt Odilon eine neue Kirche nach dem Vorbild von Cluny II, der zweiten Kirche der Mutterabtei, errichten. Sie zeigt alle Merkmale des romanischen Baustils. Das Kirchenschiff wird von einem Tonnengewölbe überspannt. Die Fenster sind tief und lassen viel Licht in den Raum. Die Wände sind besonders dick, um dem Druck des Gewölbes standzuhalten. Später sollte noch eine Vorkirche angebaut werden.
Noch heute gilt die Kirche von Romainmôtier als eines der bedeutendsten Bauwerke der cluniazensischen Romanik in der Schweiz und in Europa.