Probabilmente almeno dal secolo XIII esisteva in Momigno un edificio adibito al culto. L’insediamento è d’altra parte documentato fino dall’XI secolo. La chiesa plebana principale del territorio, cioè quella di San Pancrazio a Celle, dovette avere in origine sotto la propria giurisdizione anche la chiesa di Momigno; in seguito, in epoca imprecisata, la chiesa di San Donato a Momigno divenne anch’essa chiesa plebana. Il rettore di S. Donato a Momigno è citato come partecipante al sinodo pistoiese dell’aprile 1313. Consistenti tracce dell’originaria struttura romanica sono tuttora leggibili sulle mura perimetrali esterne e sulla facciata, con paramento in conci di arenaria disposti a filaretto, alto basamento a zoccolo e mensole al di sotto della gronda (fianco nord). Una data, MCCLXXVII (1277 n.d.a.), è scolpita su di una pietra facente parte dell’orditura muraria dello zoccolo sul lato sud: potrebbe riferirsi alla data di fondazione dell’attuale edificio. Tutto il corpo di fabbrica è stato rialzato ed ha subito trasformazioni soprattutto all’interno durante il ‘700. A tale secolo si deve probabilmente il completamento della torre campanaria.
La chiesa presenta un impianto planimetrico a navata unica rettangolare coperta da volta a botte. Le pareti laterali sono scandite da lesene che sorreggono un’imponente cornice modanata su cui si imposta la volta di copertura. Sulle pareti si aprono due cappelle per lato, due delle quali in corrispondenza della zona presbiteriale che è rialzata di un gradino rispetto all’aula e divisa da questa da una balaustra in pietra. Esternamente la facciata a capanna esibisce la muratura in pietrame che nella parte bassa dell’edificio è disposta a filari regolari. Il portale d’ingresso è sormontato da una nicchia lunettata, con l’archivolto rivestito da conci di pietra e cornice aggettante, che contiene una scultura in terracotta raffigurante San Donato. Sul lato sinistro si possono vedere le mensole di sostegno della copertura originaria, rimaste sporgenti dal profilo del muro dopo l’innalzamento settecentesco della chiesa.