La struttura architettonica attuale risale al 1619 ma la chiesa venne edificata su di un luogo di culto più antico risalente al XIII secolo. La pianta è a croce latina con due cappelle laterali. Quella di sinistra è dedicata a Nostra Signora dell'Arena e contiene un quadro della Vergine che la leggenda vuole sia stato ritrovato in mare, alla fine del XV secolo, ed è ancora oggi veneratissimo dai santerenzini.
Secondo la tradizione l'opera sarebbe stata rinvenuta nell'odierna spiaggia del Colombo, una vota detta di Santa Caterina; in realtà pare si tratti della porzione di un polittico commissionato nel 1492, del quale il dipinto della Madonna doveva occupare lo scomparto centrale.
Sugli altari della navata centrale si possono ammirare quadri dei pittori Paolo Gerolamo Piola e Giovanni Battista Carlone, mentre alla destra dell'altare maggiore è collocata una pregevole scultura di Domenico Gar (1528). Il bassorilievo marmoreo rappresenta i santi Fabiano, Rocco e Sebastiano, protettori contro le pestilenze: probabilmente fu commissionato in seguito alle tragiche epidemie che colpirono la zona nei primi anni del XVI secolo. Secondo alcune fonti, ai tre santi era dedicata anche una piccola cappella, oggi scomparsa, ubicata fuori dal centro di San Terenzo, sulla collina di Marigola: a questa cappella fa riferimento Monsignor Peruzzi, nella visita apostolica del 1584.
In tale occasione il nunzio apostolico visitò anche la chiesa di Santa Maria e la indicò come "giustamente detta essere dominio degli uomini di detto paese". Il senso di questa frase è presto spiegato: gli abitanti di San Terenzo provvedevano, attraverso l'autotassazione dei capifamiglia, al sostentamento del clero, in cambio del diritto di scegliere il proprio sacerdote. Questo diritto è stato esercitato fino alla prima metà del Novecento, periodo cui risale l'orologio del campanile.
La chiesa di Santa Maria è stata infine ristrutturata nel 1975.