La chiesa risale al XIII secolo e venne costruita grazie a dei monaci benedettini, stanziati originariamente nell'Abbazia di San Biagio di Piobbico, che vollero costruire un oratorio a Sarnano. Costruita da maestranze locali in laterizio, venne terminata alla fine del XIV secolo, precisamente nel 1398 con l'erezione del campanile e il posizionamento delle campane. Il 23 agosto 1506 venne approvato il nuovo statuto comunale, che condannava tutti coloro che prendevano parte a giochi proibiti nelle chiese, nei chiostri e nelle loro vicinanze all'interno del territorio comunale. Il titolo di Collegiata venne dato alla struttura sono nel 1834 su concessione di Gregorio XVI, dopo la precedente concessione che papa Pio VII donò nel 1818.

La chiesa venne restaurata nel dopoguerra dall'ingegnere Mariano Gavasci, che fece buttare giù il portico, restaurò gli affreschi, riaprì l'accesso alla cripta e aggiunse dipinti e vetrate nella zona dell'abside.

All’interno della chiesa di Santa Maria di Piazza si trovano gli affreschi di Lorenzo D’Alessandro (1483), di Antonio e Gian Gentile di Lorenzo e di Paolo Bontulli da Percanestro (entrambi del primo 1500). Nella cripta, composta di quattro vele a volte, si trovano i resti degli affreschi di Pietro Alamanno (seconda metà del ‘400) e Antonio e Giangentile di Lorenzo (prima metà del ‘500).

Nella chiesa erano esposti anche il dipinto su tavola di Pietro Alamanno raffigurante la Madonna della Misericordia (1494), lo stendardo processionale di Giovanni D’Angelo D’Antonio da Bolognola (1456 – 1458) e i resti di un polittico di Niccolò di Liberatore, detto L’Alunno, rappresentanti i Santi Pietro, Giovanni Battista, Benedetto e Biagio (1466-1470). Di grande valore anche due statue in legno policromo del XV secolo rappresentanti San Giuseppe e la Vergine Maria, probabilmente facenti parte di un presepe. Attualmente, queste opere sono esposte all’interno della Pinacoteca Civica.