L'église de Santa María est née avec la bastide Villeréal elle-même en 1267 et dans le style gothique typique de cette époque. Son aspect militaire viendrait de là, car c'était le lieu où la population pouvait se retirer en cas de danger, et il était entouré de douves. Cette fonction militaire disparut au début du XIVe siècle, lorsqu'une forteresse fut construite à côté – sur la place du Fort – qui fut détruite à la fin du XVIIIe siècle.
En 1572, Villeréal fut prise par les protestants qui détruisirent les images du porche ouest et de la voûte de la nef. En 1881 commencèrent les travaux de restauration qui rehaussèrent les murs de 4 mètres, refaisant la voûte, construisant la galerie et installant les vitraux.