La iglesia de Santa Maria no aparece documentada hasta el año 1279, si bien el lugar dónde está ubicada ya aparece en escritos del año 995, como una de las posesiones de la parroquia de Provençana. En un documento del año 1372 encontramos la autorización del vicario general al rector de Santa Eulàlia de Provençana para que cada domingo y los días de fiesta mayor celebre dos misas: una en la parroquia y otra en la iglesia de Santa Maria de Bellvitge.

A partir del siglo XV fue necesario reconstruir en varias ocasiones el templo debido a las constantes avenidas del río Llobregat, que lo iban colgando, hecho que provocó el sobrealzamiento de sus muros.

Durante la Guerra de los Segadors fue saqueada por las tropas del conde duque de Olivares, momento en que se perdió la talla de la Virgen que se veneraba. En 1697 volvió a ser saqueada, en este caso por las tropas francesas . Nuevamente fue atacada por las tropas de Felipe de Anjou durante la Guerra de Sucesión. Tras este hecho fue necesario reconstruir el templo. Las obras se acabaron el año 1718 y el rector de la parroquia de Provençana bendijo el templo. En 1808 el ejército francés volvió a saquear el templo, destruyendo la talla de la Virgen que se había repuesto en 1652.

No se acabaron aquí las intervenciones en el templo, por que fue necesario restaurarlo tras unas riadas en 1958 y en 1977. En esta primera restauración se añadieron unos pórticos laterales, eliminados en la última restauración. 

Actualmente el templo está formado por una sola nave, acabada por un ábside de planta cuadrada, que poco tiene que ver con el edificio románico original, sólo su perímetro.

Durante las obras de restauración posteriores a la riada del 1977 se realizaron excavaciones arqueológicas en el sector de tramontana, que permitieron encontrar gran parte de la fábrica románica de este muro, sepultada por las diferentes avenidas del río. Estas han hecho aumentar el nivel del suelo en unos 4 metros. En este sector también se encontró una absidiola semicircular. Esto ha planteado la hipótesis que el templo románico tenía planta basilical con tres naves acabadas en tres ábsides semicirculares. Desgraciadamente estos hallazgos fueron nuevamente enterrados y no son visibles.

La torre campanario es el único elemento románico que podemos contemplar. Tiene planta cuadrada y ventanas apuntadas en su piso superior.