Una necròpolis de tombes antropomòrfiques excavades a la roca datables entre els segles IX i XI seria contemporània a una primera església preromànica de Santa Maria -no identificada- documentada l'any 996. Als segles XI-XII s'aixecà un nou temple romànic, del qual en queden unes poques restes visibles, i que tenia tres altars, el major dedicat a la Mare de Déu i els laterals a sant Pere i sant Jaume. Segurament ja tenia un campanar de torre. En aquesta època l'església de Gaià tenia com a sufragànies les de Sant Miquel de Terradelles i Sant Esteve de Vilaramó. L'any 1375 hi ha documentada una sagrera al voltant de l'església, però més endavant se'n perd el rastre.
Al segle XVII es decidí aixecar l’actual església parroquial de Santa Maria. El 1666 ja s'havia fet una gran part del nou temple, i durant la segona meitat del segle s'acabà la construcció de la meitat oest. A la clau de volta més propera a l'entrada hi trobem la data de 1669 i a la llinda de la porta de la sagristia, l’any 1672. La data de 1694 i les lletres GYA (Gaià) inscrita al portal d'entrada correspondria al moment de la finalització de les obres.
Aquesta església tenia tres retaules barrocs, dedicats a Sant Josep, al sant Crist i al Roser, culte que s'havia introduït a Gaià probablement el 1595, i a mitjans de segle XVII ja comptava amb una confraria ben organitzada. El conjunt de l'església es va completar el 1791, quan es va reformar la part superior del campanar, obra feta pel conegut mestre de cases Josep Morató i Codina, de Vic.
Originàriament la façana principal estava recoberta amb esgrafiats, igual que l'edifici veí de la Rectoria. D'aquests esgrafiats se n'ha conservat un tram a la dreta de la porta. A l'angle nord-oest de l'edifici s'aixeca un gran campanar de torre, amb un primer cos de planta quadrada, sense obertures, i un cos superior més lleuger, construït el 1791. Encastat en una paret de l'església parroquial hi trobem un sarcòfag. Concretament, es troba en el mur lateral sud, situat a mitja alçada. Pel que es pot veure, consisteix en el lateral d'un sarcòfag de forma rectangular, decorat amb cinc arcades, quatre de les quals van acostades de dues en dues, i la de la dreta queda sola, una mica distanciada. El tema de les arcades és corrent també en sarcòfags d'època romànica i per tant, el més probable és que es tracti d'un sarcòfag romànic reaprofitat.
La façana principal, orientada més o menys a ponent, presenta una portalada d'estructura clàssica, amb frontó i pilastres. És d'estil renaixentista, tot i ser feta ja a l'època del barroc. Al damunt hi ha un senzill òcul. De la primitiva església romànica tan sols en resta un tram de la paret nord, entre la sagristia i el campanar, amb un tipus d'aparellat característic del romànic. En aquesta i en l'altra façana lateral s'hi poden veure unes finestres rodones, que van ser obertes durant la última restauració.
L'interior del temple es distribueix en tres naus que conformen una planta basilical. La nau principal és coberta amb volta de canó, i les capelles laterals amb volta d'aresta. La volta de la nau central, feta amb rajol enguixat, es va haver de refer totalment en les obres dels anys 1940, i les de les naus laterals parcialment. Cal destacar els relleus d'algunes claus de volta. A l'angle sud-oest hi ha el baptisteri.
El retaule major actual fou col·locat en la reconstrucció feta el 1957 i procedeix de l'església de Sant Pere de Montgrony, al Ripollès. Està dedicat a la Mare de Déu i és d'estil neoclàssic, segurament del segle XIX. Consta d'un pedestal amb una predel·la amb motius decoratius i un cos superior on hi ha una fornícula amb la imatge de la Mare de Déu, que és moderna. Separats per columnes d'ordre mixt, aquest cos superior té dos registres laterals també amb motius decoratius. El retaule de la Mare de Déu del Carme, situat a la nau lateral sud, va ser portat de la capella particular del Soler de Lloberes. Consta d'un altar de fusta decorat amb pintura i, a la part superior, una fornícula rectangular emmarcada amb una estructura arquitectònica d'estil clàssic, amb frontó partit. A la fornícula hi ha una imatge policromada de la Verge. Aquest retaule podria ser una obra dels segles XVIII o XIX.
A l'inici de la Guerra Civil, el 25 de juliol de 1936, l'església es va incendiar i es va perdre tot el mobiliari i l'arxiu. Entre 1942 i 1946 es va reconstruir la teulada, i no va ser fins el 1957 que es va inaugurar la reconstrucció més general. Les obres van anar a càrrec del paleta i picapedrer Josep Matamala Bruc, que va comptar amb la col·laboració dels veïns del poble.
