La chiesa viene definita un Santuario, ossia un luogo ritenuto sacro dalla tradizione religiosa, per la devozione dei fedeli alla sorgente dove sarebbe stata decapitata la Santa. Racconta la leggenda che Santa Barbara fosse una nobile cagliaritana convertita, che durante le persecuzioni sarebbe stata decapitata verso la fine del terzo secolo nel luogo dove sorge il Santuario, e la sua testa sarebbe caduta nel punto dove ora sgorga la sorgente Sa Scabizzada (la decapitata), che si trova a soli cinquanta metri dalla chiesa, ed è racchiusa all'interno di una cappella costruitale attorno. I fedeli che si recano al Santuario, prima di bere alla fonte, usano deporre una croce composta da due rami di legno, nei pressi della struttura.

L’edificio di culto è  costruito in stile tardo romanico nel luogo in cui era nato l'antico borgo medioevale che ha dato origine all'attuale centro abitato, e dietro di esso si trova la bellissima villa Devoto. Il Santuario è stato edificato nel 1281 da colui che  diventerà arcivescovo di Cagliari, Gallo, che è vissuto in eremitaggio in questo luogo. La soglia originaria era rialzata di cinquanta centimetri per evitare allagamenti in caso di pioggia, ed anticamente una scalinata, ormai scomparsa, portava all'ingresso, oggi murato. L'attuale accesso si apre sul fianco sinistro, decorato e con trentacinque cavità circolari per le coppelle ceramiche, che abbellivano e coloravano le murature. Alla fine del sedicesimo secolo la chiesa viene concessa ai frati Minori Conventuali, che la curano fino al 1867. Essi, lungo il fianco settentrionale e davanti, realizzano un porticato con ampie arcate in mattoni, che sorreggevano una copertura lignea, utilizzato come ricovero dei pellegrini. Nel 1739, come ricorda un'epigrafe, viene demolito un ampio tratto della fiancata meridionale, per la realizzazione di una grande cappella cupolata, nella quale viene collocato il nuovo altare maggiore, e viene spostato il campanile a vela, sopra il loggiato del fianco settentrionale. L'aula, a una sola navata con copertura lignea, è scarsamente illuminata, dato che la monofora che si apriva sulla facciata è stata murata. L'altare maggiore, in stile barocco, è stato realizzato tra il 1739 ed il 1804. La statua della Santa, in legno intagliato e policromato, è custodita presso la chiesa parrocchiale di Capoterra e, in occasione della festa in suo onore, viene portata con un lungo e faticoso pellegrinaggio presso la chiesa campestre dove si celebrano i riti religiosi e civili. Appartenuta dapprima agli Eremitani di Sant’Agostino, la chiesa passò poi ai monaci Basiliani aragonesi, ai francescani Conventuali e infine, nel 1861, alla parrocchia di Capoterra. Lungo le pareti interne vi sono dei sedili in muratura, interrotti dall'altare minore, del 1861. La zona di Santa Barbara, verso i primi anni del '900, venne scelta dai nobili cagliaritani come residenza estiva. Ancora oggi è possibile vedere bellissime ville immerse in parchi di palme e olivi secolari.

La chiesa, abbandonata con il decadimento del borgo, ha subito un importante recupero nel 1986, con il rifacimento completo del tetto.