Dundagas evaņģēliski luteriskā latviešu draudze pastāv kopš 17. gadsimta, tagadējo mūra baznīcu pabeidza celt 1766. gadā ar Dundagas pils īpašnieka ievērojamā diplomāta un valstvīra Kārļa Ostenzakena (1726—1794) gādību, viņš pēc nāves Berlīnē apglabāts Dundagas baznīcā.
1856.—1859. gadā Ansis Dinsbergs izgatavoja baznīcas ērģeles, 1912. gadā Janis Rozentāls uzgleznoja altārgleznu "Lieldienu rīts". Līdz 1920. gadu sākumam baznīcu izmantoja gan vācu, gan latviešu draudzes, vēlāk tikai latviešu draudze. Tā necieta ne Pirmajā, ne Otrajā pasaules karā.
Pēc Pirmā pasaules kara uzstādīja piemiņas plāksni Latvijas atbrīvošanās cīņās un pasaules karā kritušajiem Dundagas draudzes piederīgajiem. 1935. gadā Pieminekļu valde no baznīcas izņēma Ostenzakenu dzimtas muižnieku tēlus un pārveda tos uz Rīgas muzeju pie Doma baznīcas. Dundagas baznīcā saglabājies K. J. fon der Ostenzakena kenotafa fragments.
Arī padomju okupācijas gados pēc Otrā pasaules kara baznīcā turpināja darboties luterāņu draudze.