La pieve di San Lorenzo, architettura romanica di notevole interesse, sorge isolata accanto al cimitero di Montiglio Monferrato, nel luogo in cui un antico borgo si concentrava attorno alla sua chiesa prima che, nel XIII-XIV secolo, la popolazione decidesse progressivamente di spostarsi, per riceverne protezione all'interno delle fortificazioni del castello barricato su un'altura vicina.
Non vi sono documenti che attestano il periodo in cui la pieve fu edificata. Raffronti stilistici collocano la sua fondazione attorno alla metà del XII secolo, nel periodo di grande fioritura del romanico nel Monferrato astigiano[2]: essa condivide con la chiesa di San Secondo a Cortazzone, di Santa Fede a Cavagnolo, dei Santi Nazzaro e Celso a Montechiaro d'Asti il bicromatismo delle strutture murarie (dato dall'accostamento dei mattoni con i blocchi di pietra arenaria, la presenza di capitelli in pietra scolpita, e l'impiego di una notevole varietà di elementi decorativi, quali archetti pensili, semplici ed intrecciati, mensole scolpite, cornici con motivo a scacchiera, ecc
Cessate le sue funzioni di plebania, la chiesa dopo il XIII- XIV secolo assunse il ruolo di cappella cimiteriale, ruolo che tuttora conserva; subì nel tempo molte modifiche che non hanno tuttavia compromesso severamente la sua impronta romanica.
La chiesa presentava originariamente tre navate terminanti in altrettante absidi; le absidiole delle navate laterali furono demolite con le ristrutturazioni che intervennero nel XVIII secolo, quando vennero edificate le due strutture murarie quadrate poste in corrispondenza dell'innesto dell'abside centrale, che sporgono dal perimetro della chiesa quasi a rappresentarne il transetto. La stessa fisionomia interna delle navate laterali fu modificata, ricavandone una serie di cappelle a pianta semiesagonale.
Nulla resta dell'originale facciata della chiesa: fu ricostruita nell'Ottocento adottando un incongruo stile neoclassico, poi rifatta negli anni 1955-59 nelle attuali più sobrie forme.
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L'interno della chiesa presenta oggi una navata unica con un breve transetto (derivante dalle aggiunte settecentesche); le campate sono segnate da quattro archi longitudinali per lato che immettono nelle cappelle laterali di forma poligonale. La navata ha una copertura a botte realizzata in mattoni (anch'essa frutto di una ricostruzione) che si raccorda alle pareti con una cornice scolpita a damier. Gli archi a tutto sesto, sostenuti da pilastri cruciformi con semicolonne addossate, sono sormontati da una doppia ghiera e da una cornice che riprende, per lo più, il consueto motivo a damier. Nelle trasformazioni settecentesche il lato dei plastri (con relativi capitelli) che dava verso le navate laterali è stato murato per ricavarne le cappelle.
Di grande interesse sono i capitelli, tutti diversi tra loro, che sormontano le semicolonne ed i pilastri formando nel loro insieme una gamma di motivi tipici dell'iconografia medievale, spesso di non facile lettura. Oltre a capitelli con motivi vegetali e motivi ad intrecci, sono presenti capitelli con sirene bicaudate, figure mostruose, uccelli con chicchi d'uva nel becco, figure umane avviluppate da tralci di vite ed altro ancora.
Numerosi reperti raccolti all'esterno che testimoniano la storia e le vicende architettoniche della pieve sono state classificate ed esposte all'interno della chiesa; tra essi spicca la figura di un telamone che doveva essere inserito nell'antica facciata.