L’església de Santa Maria de Santa Oliva apareix documentada bastant tard. El 1120, en la butlla papal de confirmació dels béns del monestir de Sant Cugat, s’esmenten les esglésies de Sant Julià del castell de Santa Oliva i Santa Maria de Santa Oliva. Aquest temple, doncs, es trobava vinculat a Sant Cugat, que era senyor del terme i en tenia la tutela.
L’any 1158 el bisbe de Barcelona va atorgar de nou a Sant Cugat les esglésies de Santa Maria i Sant Julià de Santa Oliva que havien estat destruïdes pels sarraïns. Es podria relacionar aquesta devastació amb la incursió almoràvit al Penedès del principi del segle XII. En aquest mateix moment, el bisbe Guillem assenyala la necessitat que es fundés a Santa Maria un monestir regit per monjos. Malgrat aquesta intenció, el petit priorat de Santa Oliva acabà instal·lant-se a l’església de Sant Julià, i Santa Maria, extramurs del castell, esdevingué posteriorment la parroquial del terme.
De la primitiva obra romànica no en resta res. L’església actual és un edifici posterior al segle XIII.