La pieve fu edificata sui resti di un tempio romano dedicato a Bacco. Di questa precedente struttura è rimasta solo una lapide, che segnava il luogo di sepoltura di un bambino romano, ora conservata nel Museo dell’Accademia Etrusca e della città di Cortona.
Inizialmente nacque come chiesa ariana, in una zona che era proprietà dell’antica famiglia romana della Gens Metellia, dalla quale prende nome. Attorno all’VIII secolo fu convertita al culto cristiano dai Longobardi, popolo devoto al culto micaelico, come sembrano confermare alcuni frammenti scultorei altomedievali presenti all’interno dell’edificio. Il primo documento storico attestante il suo completamento risale al 1014 ed è un atto emanato dall’Imperatore Enrico II, dal quale risulta che la pieve era proprietà dell’abbazia di Farneta.
Come tutte le pievi paleocristiane, San Michele Arcangelo a Metelliano sorge nelle vicinanze di una via romana prossima ad un corso d’acqua, che in questo caso è la Cassia Vetus Clodia, non distante dal torrente Esse.
La pieve fu ricostruita nell’XI secolo su disegno dell’architetto aretino Maginardo. Il nuovo edificio poggiava sulla precedente torre. Nel 1439 la torre fu demolita in quanto a rischio di crollo. L’esterno fu intonacato nel 1674. Dal 1907 è considerata monumento nazionale italiano.
