El lloc de Llerona ja estava ocupat en època romana, tal i com demostren les restes trobades a la zona i que pertanyien a vil·la de Lauro. En l'espai que actualment ocupa la rectoria es van trobar algunes restes de ceràmica i un mosaic d'aquesta època. La parròquia de Santa Maria apareix documentada per primera vegada l'any 1033 en el Liber antiquitatum, tot i que algunes fonts afirmen que la primera cita és de l'any 990. En 1385, aquesta parròquia i les altres tres que conformen l'actual terme de les Franqueses del Vallès van ser considerades com carrer de Barcelona.

El temple es actual es creu que es va construir en el segle XIII, tot i que hi ha elements conservats d'edificacions anteriors. En el segle XV es fortifica el temple, sobrealçant els seus murs i obrint en ells espitlleres.

També es construeixen dues torres, sobre els braços de transsepte.

Durant els segles XVII i XVIII es van  produir noves modificacions, que es van completar a principis del segle XX.

Durant la Guerra Civil va patir diversos incendis, motiu pel qual va ser restaurada en el 1942.

L'església presenta planta de creu llatina.

La seva nau està coberta amb una volta lleugerament apuntada, a la que es van adossar capelles laterals, que van alterar la seva estructura.

L'absis és de planta rectangular. Algunes fonts afirmen que aquesta forma es deguda a que es va aprofitar part de l'absis pre-romànic. Està cobert amb volta apuntada. En ell s'obren dues finestres de doble esqueixada.

La resta del temple ha estat molt modificat al llarg dels segles, com es pot veure en els dos braços del transsepte.

L'element més destacat de l'època romànica és la portalada, que s'obre en el mur sud.

Està datada en el segle XII. La formen tres arcs de mig punt en gradació. L'arc central està decorat amb una arquivolta esculpida amb motius en forma de trena.

L'arquivolta es recolza en dues columnes de fust llis, però amb els capitells esculpits. En el de l'esquerra podem veure un mascaró entre fulles d'acant, mentre que en el costat dret veiem dos àngels amb les ales esteses, que sostenen un coixí en el que seu la Mare de Déu, en una clara representació de l'Assumpció de Maria.

Coronava aquesta façana un campanar de cadireta, que en el segle XVII es va transformar en l'actual campanar de torre.

En l'interior del temple es conserven alguns dels elements trobats durant les diferents campanyes d'excavació arqueològica.