L'edificio di culto è importante per la storia della cittadina poiché fu anche la prima sede della scuola pubblica di Legnano.
Nel 1992 dei lavori di restauro portarono alla luce, sotto la pavimentazione, le fondazioni dell'originaria abside semicircolare orientata ad est che gli archeologi fanno risalire al V secolo. L'edificio ha subito, nel corso dei secoli, complessi e radicali rimaneggiamenti. La parte più antica della chiesa di Sant'Ambrogio, dato che ha ospitato le spoglie dell'arcivescovo di Milano, Leone da Perego, risalirebbe almeno alla metà del XIII secolo.
La chiesa, nella forma attuale, risale invece al 1590 e fu riedificata sulle vestigia di quella precedente. Le uniche parti della vecchia chiesa che si salvarono furono le mura di fianco all'altare ed il campanile.
L' edificio è stato poi ampliato nel 1740 con una grande navata e con volta a botte alla base della quale sono inserite due file di finestre, assumendo l'aspetto attuale. L'unica navata della chiesa di Sant'Ambrogio è caratterizzata da tre arcate con volta a crociera.
Nel Seicento il compito di affrescare la chiesa fu affidato a Giambattista e Francesco Lampugnani. I due fratelli realizzarono otto profeti di aspetto molto severo collocati nelle lunette, la pala d'altare che raffigura la Madonna con il Bambino, San Carlo, Sant'Ambrogio e San Francesco e, sia nel lato destro che nel lato sinistro della navata, i grandi affreschi rappresentanti Sant'Ambrogio a cavallo.
L'organo della chiesa, situato su una balconata della controfacciata, è opera pregevole di Antonio De Simoni-Carrera ed è tutt'ora intatto nella sua originaria fisionomia.
