A la fin du Xe siècle, Romainmôtier passe dans le giron de l’abbaye de Cluny (France). Les abbés transforment les bâtiments pour édifier un centre monastique. Les chantiers se succèdent sur plus d’un siècle.
Au début du XIe siècle, une nouvelle église est construite par l’abbé Odilon sur le modèle de la deuxième église de l’abbaye-mère (Cluny II). Elle a toutes les caractéristiques de l’art roman. Sa nef est alors voûtée en berceau. Profondes, les fenêtres laissent pénétrer des rais de lumière. Les murs, particulièrement épais, résistent aux poussées de la voûte. Une avant-nef sera ajoutée plus tard.