En el segle X, l'actual terme de Castelldefels era territori de frontera entre musulmans i cristians. El comte Sunyer va demanar al monestir de Sant Cugat que es fes càrrec d'aquesta zona, organitzant-la i defensant-la dels atacs sarrains.

És sota la direcció del cenobi que es construeix l'església de Santa Maria, documentada l'any 977, en el testament de Galí de Santmartí, vicari comtal d'Eramprunyà i de Sant Martí Sarroca. Part del seu llegat s'havia de destinar a la construcció d'un monestir benedictí en aquest indret, que no es va arribar a edificar.

Aquesta església del segle X, tenia tres altars. El principal dedicat a Santa Maria, el de la dreta a Sant Miquel arcàngel i el de l'esquerra a Sant Joan Evangelista. En aquest altar també es venerava a Sant Pere i sant Pau.

En el segle XII, el bisbe Berenguer va consagrar una nova església que, tot i que ha estat molt modificada, és la que ha arribat fins als nostres dies.

En el segle XVI, quan la família Marc i Palau eren els senyors del lloc, es va construir un cor gòtic.  A finals del mateix segle es construeix l'altar del Roser.

En el segle XVIII es produeix una nova modificació en el temple. En aquest cas es prolonga el braç sud del transsepte, convertint-lo en la capella de la Mare de Déu de la Salut. També en aquesta època es construeixen unes capelles laterals.

En 1897, el banquer barceloní Manel Girona va comprar el castell i l'església. Com que aquesta era la parròquia del poble, va fer construir-ne una de nova en la plaça de l'ajuntament i l'església romànica es va convertir en la capella particular de la família. El nou propietari va restaurar el castell i l'església seguint els corrents de l'època.

Durant la Guerra Civil l'església i el castell van ser utilitzats com a centre de reclutament i la façana renaixentista va patir els efectes de les pràctiques de tir. També es van cremar els retaules barrocs i la sagristia. Posteriorment es va convertir en presó dels brigadistes internacionals que intentaven desertar o rendir-se. Alguns d'ells van fer dibuixos en les parets de la capella de la Salut.

Després de la Guerra Civil, el recinte va quedar abandonat, amb el conseqüent deteriorament, fins que en 1988 l'Ajuntament de Castelldefels va adquirir-lo per convertir-lo en una escola taller de construcció.

L'església tenia planta de creu llatina, amb una sola nau, transsepte i tres absis semicirculars.

L'església va patir nombroses modificacions i mutilacions, les més importats de les quals van tenir lloc a la capçalera, que es va fortificar. L'absis nord va desaparèixer quan es van construir noves dependències i defenses del castell. L'absis central també va patir alteracions. En el tambor absidal es va obrir una porta que, mitjançant unes escales, comunicava el temple i el castell. Actualment la capçalera torna a tenir tres absis, reconstruïts amb formes i materials moderns, seguint els criteris, més que discutibles,  aplicats a principis dels anys 80 i 90 del segle passat per la Diputació de Barcelona.

En la intersecció entre la nau i el transsepte, trobem una cúpula sobre trompes.

La cúpula serveix de base per a una torre campanar, de planta quadrada i un sol pis d'alçada. En les seves cares s'obren finestres geminades, algunes de les quals han estat reconstruïdes amb materials moderns.

Durant les excavacions realitzades en l'interior del temple, es van trobar dos capitells, datats entre els segles XII i XIII, que podrien correspondre a aquestes finestres reconstruïdes.

La porta principal es troba en el mur oest i correspon a una reforma realitzada en el segle XVI i per tant és d'estil renaixentista.

En el mur nord del transsepte trobem una altra porta d'accés, sobre la que s'obre una petita finestra de mig punt.

És tracta d'una senzilla porta, amb llinda i timpà llisos. En la dovella central hi ha gravada una creu.

En les darreres obres de restauració, s'ha tornat a pintar de color blanc l'exterior del temple, a excepció de la capella de la Salut, fet que li dóna una aparença força estranya, ja que no estem acostumats a veure edificis romànics d'aquesta manera, per què solem valorar molt més la pedra vista en aquest tipus d'edificis. El motiu esgrimit pels autors d'aquesta intervenció era que d'aquesta manera s'unificava el color de tots els elements utilitzats en les diferents reconstruccions. Personalment, prefereixo la pedra vermellosa d'aquesta zona del Baix Llobregat...

Durant les excavacions arqueològiques realitzades en la dècada dels noranta del segle passat, es van descobrir diversos vestigis del passat romà d'aquest indret. Entre ells un pedestal amb inscripció llatina, que va ser trobat el 1989, embotat en una paret de la sagristia. Es creu que va ser realitzat durant la primera meitat del segle II després de Crist.