La località “Marcilliano” presso Segromigno, è nominata già nell’anno 909. Sappiamo che solo tre secoli più tardi il territorio sarà dotato di una cappella propria, come attestato da un documento del 1211. Dalla visita pastorale del 1361 sappiamo che la chiesa necessitava di un restauro al porticato e che, nello stesso periodo, fu progettato il campanile, che troviamo nuovamente in restauro nel XVI sec. La Parrocchia nel XV secolo fu unita a quella di S. Andrea in Caprile per poi tornare autonoma nel 1791. Dalle testimonianze relative alla visita pastorale del 1680 sappiamo che: “Il tetto risulta ben armato con le travi, vi sono due porte. Riceve la luce dalle finestre e da un oculo sopra la porta, avanti alla quale è una loggia sostenuta da colonne.”
La chiesa nel corso degli ultimi anni ha subito danni strutturali a causa di una frana ed è stata chiusa al pubblico per molti anni. A partire dal 2008 sono iniziati i lavori di restauro e l’edificio è stato riaperto al culto nel 2018. All’esterno conserva ancora molti dei caratteri tipici del romanico lucchese, anche se nel tempo è stato molto rimaneggiato.
La chiesa, interamente costruita in blocchi di pietra arenaria proveniente dalle vicine cave di Matraia, ha in facciata due paraste angolari e la sommità è sottolineata da una teoria di archetti pensili, che poggiano su mensole antropomorfe e raffiguranti simbologie cristiane. Il portico, di cui è rimasta in piedi solo una campata, mostra la volta a crociera, in laterizio, poggiante su un pilastro e una colonna in pietra. La restante parte della facciata, attualmente molto deteriorata e che in passato era nascosta dal porticato, come visibile nelle foto degli anni ‘60, evidenzia il portale in pietra e soprattutto l’archivolto, che non si è conservato integralmente. Quest’ultimo, costruito in conci bicromi di calcare bianco e serpentino, è coronato da una fascia superiore in marmo, decorata a motivi fitomorfi e testina in rilievo nella parte centrale. Al di sopra un rosone tamponato presenta una decorazione a finto vetro. Mensole dello stesso tipo della facciata, con raffigurazioni antropomorfe e simbologia dell’antico e del nuovo testamento, sono riportate lungo il cornicione, nei prospetti laterali. L’impianto ad aula unica con abside semicircolare disposto secondo l’asse sud est, oggi si presenta internamente completamente spoglio di decorazioni a causa del deterioramento dell’intonaco. Il soffitto con volta a botte fu realizzato nel XVII sec., come anche l’intonacatura interna, e furono aggiunte le catene di rinforzo in epoca successiva. Importanti decorazioni del XVI sec., come un dipinto su tavola e una decorazione che si trovava lungo il perimetro dell’abside, in legno laccato e dorato, oggi sono state smontate e sono conservate presso il museo di Villa Guinigi. Allineato alla facciata si trova il campanile con un antico arcone in conci di pietra, alto quasi quanto la facciata, sotto al quale esisteva un antico percorso, oggi parzialmente tamponato; la parte superiore, dove si trova la cella campanaria, è stata realizzata in muratura mista ed è relativa ad un restauro eseguito nel XIX sec.
