Aquesta església molt probablement degué ser fundada a la segona meitat del segle XI, en el mateix moment que es construí el castell de Montgai, després de la conquesta de la zona efectuada pels comtes de Barcelona i d’Urgell, Ramon Berenguer I i Ermengol III. Tot i que n’han pervingut al present escasses mencions documentals, es pot suposar que des de l’inici acomplia les funcions d’església del castell i alhora parròquia del lloc. En aquest darrer sentit, l’ecclesia de Mungay figura esmentada en la relació de la dècima recaptada a la diòcesi d’Urgell l’any 1279, i posteriorment, el capellanus de Munt Gay es menciona en la dècima que el mateix bisbat col·lectà l’any 1391.
Actualment, el temple parroquial de Santa Maria de Montgai correspon a un edifici bastit a mitjan segle XVIII i consta de tres naus amb capelles laterals i una bella façana barroca.