Fu edificata in forme gotico-aragonesi nel secolo XVI, subì notevoli modifiche nel Seicento, quando la facciata e il frontone furono trasformati secondo moduli di stile barocco.

La chiesa sorse ai margini dei due centri abitati di San Leonardo e di Santa Lucia. Insieme al convento dei cappuccini, divenne la fabbrica architettonica più significativa della prima epoca moderna.

Il primo impianto risalente ai primi del XVI secolo, in stile gotico aragonese, fu voluto dalla contessa di Quirra donna Violante Carroz e comprendeva una sola navata priva di cappelle. Al lato della sagrestia venne eretto un piccolo campanile a vela. Nel corso del '600 l'intera struttura subì varie trasformazioni: ci fu un'aggiunta di sei cappelle laterali e la realizzazione di una volta a botte. Tra il 1718 ed il 1722, il muratore Salvatore Pilloni realizzò l'imponente facciata principale in stile barocco in blocchi di arenaria.

La costruzione della nuova sagrestia, iniziò nel 1778 fino al 1781, ad opera del muratore Giuseppe Loy. Negli ultimi anni del XVIII secolo, la chiesa ricevette in dotazione alcuni organi, realizzati dal maestro napoletano Antonio Priante.

Eretto nel secondo decennio dell'800, l'imponente campanile è il secondo della Sardegna per altezza.

Nel 1666 fu posta una campana realizzata, per volere del vescovo di Ales-Terralba Giovanni Brunengo (dal 1663 al 1679), dal maestro tedesco Giacomo Keller a Cagliari. La campana porta lo stemma del suo benefattore e un'iscrizione (ANNO 1666 ME FECIT FIERI ILL.MUS ET REV.MUS D. JOANNES BRUNENGO EPISCOPUS UXSELLUS- PRO PARROCCHIALLI ECCLESIA BEATE MARIE VIRGINIS GRATIARUM OPPIDI DE MASULLAS). Esso si trova all'interno dell'attuale campanile.

Nel 1809 il vicario di quel periodo, Vincenzo Puxeddu, incaricò la costruzione della torre campanaria al maestro muratore Lorenzo Frassettu di Cagliari. Nel 1814 fu sostituito il campanile a vela da una torre campanaria.

Il campanile è caratterizzato dalla presenza di due piccole aperture poste in asse con la porta d’accesso alla torre: quella situata più in basso ha forma di croce e quella superiore ha invece forma di stella.

Nel 2014, sono stati realizzati importanti interventi di restauro in quanto l'interno della torre era in cattive condizioni, è stato installato un sistema di illuminazione e sostituita la scalinata in legno per accedere al vano superiore che ospita l'orologio. In occasione della fine dei lavori di restauro, in coincidenza con il bicentenario della sua costruzione, la torre campanaria è stata aperta al pubblico durante gli ultimi giorni della festa patronale.

L'interno presenta una sola navata con volta a botte affiancata da sei cappelle laterali, tre per lato. Le principali si trovano vicino all'altare maggiore, in stile gotico, fanno parte del primitivo impianto e sono dedicate alla titolare della chiesa, la Vergine Maria, e a San Francesco. All'entrata è posta una bussola lignea ottocentesca.

Il pulpito realizzato nel '900, posto su un pilastro in pietra precedente al resto della struttura, invece realizzata in legno. Di forma poligonale, dei pannelli rettangolari di vari colori fanno da parapetto, mentre nel pannello centrale è raffigurato San Sebastiano martire, in passato patrono di Masullas. Nella prima cappella a sinistra si trova un bel fonte battesimale marmoreo e un crocifisso gotico del sec. XVII, di scuola sarda. L'ultima cappella a sinistra, in stile gotico, conserva una scultura lignea di San Sebastiano Martire, di scuola napoletana, risalente al XVII secolo. Da citare la tela ottocentesca raffigurante la Madonna del Suffragio, posta nella prima cappella a destra, seguita dalla Cappella del Rosario, che ospita una preziosa scultura della Vergine del Rosario decorata con la tecnica dell'estofado de oro.

La facciata della chiesa è in stile barocco con influenze spagnole. Può essere diviso in tre parti: la prima parte comprende il portone di accesso in legno, affiancato da due coppie di finte colonne e un timpano sovrastato da un'iscrizione (HOC-OPPVS-ABORATIV-M-A-DNO-DONFR); la seconda parte comprende due coppie di capitelli, in realtà la parte conclusiva delle sottostanti colonne, su cui sono presenti delle anfore. La parte superiore è la più ricca, comprende un rosone sovrastato da un ricco fastigio decorato con motivi floreali in cui è posta una piccola nicchia in cui dentro si trova una piccola statua della Vergine Maria. Sull'entrata esterna per il campanile è posta un'iscrizione che attesta la costruzione della torre campanaria, vi è scritto: SERRA DUMDIOMECESIM SEDE VACANTE REGERET-PUXEDDU PAROCHUS HOC PEREGIT OPUS A.1812. Come data di completamento del campanile risulta 1814, infatti 1812 scritta sull’iscrizione ha fatto riflettere.

La facciata fu completata nel 1694. È caratterizzata da un portale monumentale scandito da quattro poderose colonne.

Custodisce alcuni pregevoli quadri eseguiti da pittori locali e un tabernacolo in legno del secolo XVII dal quale, secondo la tradizione, fu rubata la pisside d'argento con le ostie consacrate che diede luogo alla famosa scomunica comminata dal vescovo monsignor Pilo nei confronti dell’intera popolazione.

Il retablo del Canopia

Nel 1676, l'artista Mattia Canopia si impegnò a dipingere il retablo per la cappella di nostra Signora del rosario. Ai primi anni del '700, risale il pulpito ligneo intagliato dall'artigiano Giovanni Domenico Manca.

Il retablo riprende come argomento la Vergine Maria e la sua famiglia, si sviluppa in due ordini sovrapposti divisi in tre pannelli. Nella parte inferiore si trova una nicchia che racchiude il simulacro settecentesco della Vergine delle Grazie. Ai lati vengono raffigurati Sant'Anna e una figura maschile, probabilmente Gesù. Nella parte superiore, a partire da sinistra, vengono raffigurati San Giuseppe sposo di Maria, Elisabetta con il piccolo Giovanni Battista e infine San Zaccaria, sovrastati dalla figura di Dio Padre. Nella predella sono presenti figure di Santi, in ordine da sinistra verso destra un santo vescovo ignoto, due santi Gesuiti fra cui San Francesco Saverio e infine un Santo in armatura, probabilmente San Vito Martire.