El sitio de Calafell aparece por primera vez en un documento de compraventa de tierras entre los condes de Barcelona, ​​Ramon Borrell y Ermessenda y Gombau de Besora del año 999. La iglesia no aparecerá citada directamente hasta el año 1189, cuando Bargais y Almasura donaron un parte de una viña a la Santa Creu de Calafell.

Mantuvo la condición de parroquia hasta 1806, cuando se construyó un nuevo templo fuera de las murallas.

La iglesia se encuentra dentro del recinto fortificado del castillo de Calafell, ocupando el ángulo noreste. Por este motivo, los muros norte y este forman parte de la estructura defensiva de la fortaleza y en consecuencia han sido modificados en numerosas ocasiones.

El templo original se construyó en el siglo XI. A lo largo de los siglos ha sufrido numerosas modificaciones y ampliaciones, que han alterado considerablemente su fisonomía románica.

El templo estaba formado por una pequeña nave rectangular, cubierta con bóveda de cañón y reforzada por dos arcos torales.

El segundo arco estaba adosado al muro de poniente del templo, pero al alargarse la nave por este sector, ahora ha quedado como un doble arco de medio punto.

Esta nave está rematada al este por un ábside semicircular de tradición lombarda.

Exteriormente está decorado con grupos de cinco arcos ciegos separados por lesenas.

Tres ventanas iluminan el interior del ábside. La del lado norte es de un solo derrame, mientras que las otras dos son de doble derrame.

El interior del ábside aún conserva restos de pinturas murales. Fueron restauradas en la década de los noventa del siglo pasado, después de que durante mucho tiempo hubieran permanecido tapadas por varias capas de pintura.

Los fragmentos que mejor se han conservado se encuentran en la parte inferior del tambor absidal. En este caso encontramos pinturas de motivos geométricos a base de círculos entrelazados formando una especie de tejido. Por encima hay una cenefa decorada con motivos cuadrangulares en espiral.

Encima de esta cenefa encontramos los restos de un ángel, que ha perdido la pintura y en algunas partes sólo conserva el trazo. Tiene las manos elevadas, como cogiendo algo, probablemente la mandorla.

En el presbiterio, podemos observar una gran piedra donde está grabada la "Santa Cruz".

Bajo el presbiterio encontramos una pequeña cripta, a la que se accede por una escalera central. Está cubierta con una bóveda muy rebajada. Su construcción supuso que el presbiterio esté en un nivel superior al resto del templo.

En el siglo XIII se amplió el templo con una nave, adosada en el muro sur. Para su construcción fue necesario derruir el muro sur y se sustituyó por un gran arco rebajado. También se alargó la nave primitiva hacia poniente.

En el nuevo muro se construyó la puerta de entrada, hecha a base de grandes dovelas, muchas de las cuales han sido sustituidas en las diversas campañas de restauración.

Esta nave está terminada con una cabecera plana, con el fin de adaptarse a la muralla, que aún conserva restos de pinturas de época gótica.

La nave se construyó sobre una antigua necrópolis de tumbas antropomorfas excavadas en la roca.

Adosada al lado sur encontramos una estructura curiosa, una especie de capilla, formada por un ábside semicircular, de planta irregular.

En el siglo XVII se construyó un esconjuradero para ahuyentar a los malos espíritus, que provocaban las tormentas, cerca de donde encontramos una espadaña de dos ojos.

En el interior del templo se conserva una sencilla pila bautismal, sin decoración.

También se conservan varios elementos encontrados en las diferentes campañas arqueológicas.