El nombre de esta iglesia deriva de su posición en el centro de la localidad. Sus orígenes se remontan a los primeros años de la repoblación de la villa, aunque los restos más antiguos que se conservan de ella son románicos, de finales del siglo XII y sólo son visibles desde el interior. Ha recibido numerosas reformas a lo largo de su historia. En el siglo XVI se construyó el coro y después la portada. En el siglo XVII se hundió la torre, en la cual se hallaba el reloj de la villa, reconstruyéndose en estilo barroco y alargándose tal obra por veintitrés años hasta su conclusión. Finalmente, en el siglo XVIII se reconstruyó y amplió el ábside, dotándola con un primoroso retablo mayor de estilo barroco. La iglesia todavía tiene culto algunos días del año y es la sede de una de las cofradías tradicionales de Semana Santa, la de Nuestra Señora de los dolores, conocida popularmente como “La Dolorosa”.

En esta iglesia de Santa María se reunía durante algún tiempo, el cabildo de todos los religiosos de la villa. También en esta iglesia se guardaban, bajo llave, los documentos más importantes del concejo y el archivo de los hidalgos de Peñafiel, donde estaban recogidos sus privilegios.

En su interior está actualmente instalado el Museo Comarcal de Arte Sacro, uno de los más interesantes de Castilla y León. En este espacio podrá contemplar escultura, pintura, orfebrería y documentación, desde los siglos XII al XVIII. La colección de cruces procesionales en plata, que van desde el siglo XIV al XVII, es una de las mejores en su clase que puedan contemplarse hoy en España.