Prieuré et paroisse
« Polemniacum » apparaît en 870, dans le traité qui partage la Lotharingie entre Louis le Germanique et Charles le Chauve : le site est attribué à Louis le Germanique. Ce n’est qu’en 922 qu’y est attestée une église : Adelaïde, sœur du roi de Bourgogne, la donne à la cathédrale d’Autun. En 1083, l’abbé de Baume-les-Messieurs achète au comte de Bourgogne les droits qu’il possède encore sur l’église et fonde un prieuré. La propriété conjointe de l’église entraîne de nombreux procès jusqu’en 1324 ; Jeanne de Bourgogne, reine de France, cède alors la part de la cathédrale d’Autun à Baume, qui en devient l’unique propriétaire. Construite au XIe s., l’église sert de paroisse et comporte quinze ou seize chapelles accueillant des tombeaux de riches polinois ; elle compte de vingt-huit à trente prêtres, le prieur, quelques clercs et des moines. Au XIVe s., le prieuré cesse d’être conventuel et devient un fief de Baume. En 1431, la paroisse est transférée de Notre-Dame à la nouvelle collégiale Saint-Hippolyte, construite entre 1415 et 1431 à l’intérieur des remparts. La maison prieurale est démolie en 1450.
Un témoignage encore très parlant
En 1798, l’église est vendue comme bien national, cédée à la Ville de Poligny en 1827 et transformée en chapelle. Elle possédait à l’origine trois nefs de quatre vingt mètres de long et une multitude de chapelles. Ce magnifique édifice roman a conservé sa toiture de lauzes et son clocher carré du XIIe s., coiffé d’une flèche octogonale percée de vingt fenêtres et flanquée de clochetons ornés de têtes animales et humaines. 
Aujourd’hui, l’église comporte trois chapelles qui présentent chacune un style différent : à l’entrée, la première est romane ; la deuxième, dite «chapelle de la Cannelle», présente des arcs et des fenêtres de style ogival. C’est ici que se trouve la statue de Notre-Dame de Mouthier-Vieillard, sculpture polychrome du XIIIe s. Les nombreux chefs d’œuvre de Mouthier-Vieillard font partie d’un grand ensemble artistique du XVe s. malheureusement incomplet : en effet, plusieurs d’entre eux ont été vendus au Metropolitan Museum de New-York en 1920.