L’església de Santa Maria es troba estretament lligada a la repoblació, a la fundació del castell i a l’aparició dels primers habitants medievals de Talamanca. Sembla que l’edifici primitiu devia ser una esglesiola d’una sola nau, petita i de fusta que al segle XII va ser substituïda per l’actual edifici romànic. El resultat va ser un edifici estructurat a partir d’una sola nau amb planta de creu llatina i absis semicircular. Al segle XVIII es va fer una important ampliació amb la construcció de dues capelles laterals, es va refer el campanar i es va construir una espectacular escala de caragol per accedir-hi. Va ser també en aquest moment que es va ornamentar l’interior de l’església amb un retaule barroc, que va ser destruït durant la Guerra civil, pintant el sostre i construint un cor sobre l’entrada principal.

L’església acull el sarcòfag d’estil gòtic de Berenguer de Talamanca, senyor del Castell, que va fer erigir la seva esposa Blanca l’any 1325 al creuer de l’església. Molt a prop d’aquest sarcòfag hi ha una petita porta que condueix cap a un túnel que uneix l’església amb l’antiga Rectoria, situada just al davant.