L'acta de consagració de Santa Maria data de l'any 833, en que es posava el temple sota l'advocació de Sant Pere i Sant Joan del Castell de Lillet, a més de Santa Maria.  És una de les actes de consagració més antigues de totes les que s'han conservat a Catalunya.

En el segle XI es construeixen les dependències de la canònica agustiniana al voltant del temple. Fou a partir d'aquest moment que el cenobi comença a guanyar poder i prestigi, especialment entre els segle XII i XIII. 

En 1356 perd la condició de parròquia, en construir-se un nou temple en el nucli urbà de la Pobla de Lillet. Uns anys més tard, en 1397 es va tornar a consagrar el temple, després de fer-hi algunes reformes, ja en estil gòtic.

Durant els segles XVI i XVIII es van produir noves modificacions i reformes, tot i que en 1592 va ser secularitzada. 

El temple està format per una sola nau, coberta amb volta de canó i reforçada per arcs torals, que està acabada en un ampli transsepte amb dos absis semicirculars. El més gran correspon a la nau, mentre que l'altre s'obre en el mur est del braç sud del transsepte.  És molt probable que existís un altre absis lateral en el costat nord del transsepte, però que s'eliminés quan es va modificar aquest sector per fer una nova portalada gòtica. En la zona més propera al mur est del temple, l'absis principal té una porta, oberta posteriorment i avui cegada. 

En aquest sector es veuen alguns carreus reaprofitats, probablement de l'antic absis, entre les que podem trobar l'arc d'una finestra de mig punt.

En l'absis principal trobem una de les finestres més belles del temple, que encara conserva la traça romànica.

En el mur oest es trobava la porta original d'accés al temple. Aquesta façana ha estat molt modificada i costà reconèixer alguns elements romànics. Encara es poden veure les restes d'un fris d'arcs cecs del segle XI. També es poden observar alguns arcs corresponents a finestres o al campanar de cadireta. La porta d'accés i la rosassa corresponen a les obres realitzades en els segles XVI i XVIII.

En època gòtica es va modificar la porta d'accés, construint-ne una de nova en el braç nord del transsepte. 

Està formada per tres arquivoltes apuntades, que tenen els capitells esculpits amb motius vegetals i unes interessants cares humanes. Les del costat dret estan molt deteriorades i amb prou feines es distingeix la seva silueta.

La resta de dependències monàstiques estan molt deteriorades. En 1995 la Generalitat de Catalunya hi va portar a terme una sèrie d'actuacions per tal de consolidar els murs del monument i permetre'n la seva visita. En una decisió molt més que discutible, es va decidir construir una mena de passarel·la, que creu l'edifici per sobre dels murs. Aquesta estructura metàl·lica desentona brutalment amb la construcció romànica i espatlla la contemplació del que queda de les seves estances.

El claustre és la dependència que millor s'ha conservat, després del temple. Era de petites dimensions, amb planta quadrada i amb quatre arcs en cada galeria. Els arcs adovellats de mig punt es recolzen en pilars de planta quadrada. Tenia dos pisos d'alçada, dels quals només ens ha arribat el primer i part dels murs del segon. Com en la resta de la canònica, no s'han conservat els sostres, que en aquest cas eren de fusta. En alguns murs encara es poden veure fragments d'opus spicatum.

En la parròquia de Santa Maria de la Pobla de Lillet podem trobar una talla de fusta procedent de la canònica. Es tracta d'un Crist Crucificat de l'escola de Ripoll i d'inicis del segle XII. La policromia i les trenes que guarneixen el pentinat són de factura moderna. 

A pocs metres de la canònica podem veure el temple de Sant Miquel de Lillet.