Fou l’església parroquial del terme del castell de Mont-roig i depengué del monestir de Santa Maria de Meià fins a la desamortització eclesiàstica.
Indirectament se sap que aquesta església formava part de la dotació inicial del monestir de Santa Maria de Meià, que es degué fer abans de l’any 1040; de fet, però, no se’n té constància fins el 1095, quan un nét del fundador, Ermengol, fill de Guitard Guillem de Meià, donà al mateix monestir de Meià les esglésies que tenia per donació del seu pare, entre les quals figura la de Montroig. Posteriorment, aquesta dependència es confirma en un capbreu del monestir atribuït a l’any 1137, en el qual consta que el monestir tenia l’església del castell de Mont-roig. La condició de parròquia es confirma en la visita que l’any 1315 realitzà el visitador del delegat de l’arquebisbe de Tarragona a les parròquies del monestir de Santa Maria de Meià, entre les quals visità la de Santa Maria de Mont-roig. L’any 1431 encara tenia la condició de parròquia, ja que Eximio Dalie, administrador perpetu del priorat de Meià, aquest any féu col·lació de la rectoria de Mont-roig. Encara ho era a mitjan segle XVII quan Roig i Jalpí afirmava que el priorat de Santa Maria de Meià tenia l’església de: “Nuestra Señora de Mont-roig. Es parroquial”.
Actualment continua tenint culte com a santuari marià i es coneix amb el nom de Nostra Senyora de Montalegre. L’edifici no conserva cap part romànica, ja que és una construcció gòtica i s’hi han fet obres de reforma; de moment s’ha refet totalment la coberta del temple.