L'església de Santa Maria no apareix documentada fins l'any 1279, si bé el lloc on està ubicada ja apareix en escrits del any 995, com una de les possessions de la parròquia de Provençana. En un document de l'any 1372 trobem l'autorització del vicari general al rector de Santa Eulàlia de Provençana per a que cada diumenge i els dies de festa major celebri dues misses: una a la parròquia i una altra a l'església de Santa Maria de Bellvitge.

A partir del segle XV va ser necessari reconstruir en diverses ocasions el temple degut a les constants avingudes del riu Llobregat, que l'anaven colgant, fet que va provocar el sobrealçament dels seus murs.

Durant la Guerra dels Segadors va ser saquejada per les tropes del comte duc d'Olivares, moment en que es va perdre la talla de la Verge que es venerava. En 1697 va tornar a ser saquejada, en aquest cas per les tropes franceses . Novament va ser atacada per les tropes de Felip d'Anjou durant la Guerra de Successió. Després d'aquest fet va ser necessari reconstruir el temple. Les obres es van acabar l'any 1718 i el rector de la parròquia de Provençana va beneir el temple. En 1808 l'exèrcit francès va tornar a saquejar el temple, destruint la talla de la Verge que s'havia reposat en 1652.

No es van acabar aquí les intervencions en el temple, ja que va ser necessari restaurar-lo després d'unes riuades en 1958 i en 1977. En aquesta primera restauració es van afegir uns porxos laterals, eliminats en la darrera restauració. 

Actualment el temple està format per una sola nau, acabada per un absis de planta quadrada, que poc té a veure amb l'edifici romànic original, només el seu perímetre.

Durant les obres de restauració posteriors a la riuada del 1977 es van realitzar excavacions arqueològiques en el sector de tramuntana, que van permetre trobar gran part de la fàbrica romànica d'aquest mur, soterrada per les diferents avingudes del riu. Aquestes han fet augmentar el nivell del terra en uns 4 metres. En aquest sector també es va trobar una absidiola semicircular. Això ha plantejat la hipòtesi que el temple romànic tenia planta basilical amb tres naus capçades per tres absis semicirculars. Malauradament aquestes troballes van ser novament enterrades i no són visibles.

La torre campanar és l'únic element romànic que podem contemplar. Té planta quadrada i finestres apuntades en el seu pis superior.