Un domaine abbatial et pontifical
Piolenc est mentionné dans des documents peu avant l’an Mil : le «puy» (ou « puech », ou « pio »). Mais c’est avec la donation, après 994, à l’abbé de Cluny Odilon par le marquis de Provence Rotbaldus que le nom est définitivement acquis : «Podium Odolinum», qui donnera plus tard «Piolen». Trois à cinq moines viennent s’y établir. Le 29 octobre 1393 est affirmée l’union perpétuelle du prieuré de Piolenc au collège clunisien de Saint- Martial d’Avignon : le recteur de Saint-Martial porte alors le titre de «Prieur-seigneur de Piolen». En 1541, les officiers apostoliques remettent à Cluny l’autre moitié du fief de Piolenc, qui était passée dans le domaine pontifical en 1274, et l’abbé de Cluny devient ainsi le seul seigneur du lieu avec le titre de baron. Un prieur-seigneur de «Piolen», Hugues de Fabry, devient abbé de Cluny en 1350. Le seul religieux présent est ensuite le sacristain, qui occupe un monastère devenu «château». Mais il est accusé d’être trop souvent absent et des conflits avec les habitants sont signalés à partir du XVIIe s. En 1789, les habitants s’emparent des biens du prieuré et scellent ainsi la fin du régime seigneurial clunisien, après presque huit siècles de liens avec l’abbaye bourguignonne.
Une présence clunisienne bien perceptible
L’église Saint-Pierre date vraisemblablement du XIe s., tout comme la voûte en berceau plein cintre de la nef. On y pénètre par un narthex, voûté en plein cintre et orné d’une corniche, avec une intéressante décoration romane. 
On y accédait par une rampe remplacée au XIXe s. par un escalier de trente marches. La décoration de l’intérieur de l’église remonte au XIVe s. L’édifice a été agrandi aux XVIe et XIXe s. Le clocher-tour domine l’entrée. Il est, depuis le XIXe s., surmonté de l’horloge communale.
Le clocher primitif, situé à l’aplomb de la croisée du transept, a été démoli en 1794. Il ne sera jamais reconstruit et la tour du château sera transformée par la suite afin d’être utilisée comme clocher. Du château, relié à l’église par l’ancien cloître et qui remplaça le monastère au XVIIIe s., il ne reste que quelques murailles, englobées dans celles de l’hôpital-hospice. Le village, autour du château, était ceint de remparts au XIVe s. : on peut d’ailleurs toujours en observer la forme ronde. Il ne reste plus que quelques vestiges de ces fortifications, rasées au XIXe s.