Construção do século XIV com posteriores remodelações. Do edifício original nada resta hoje em dia, contudo desde pelo menos 1409 que a Nossa Senhora de Atalaia é objeto de veneração.

A igreja ostenta uma fachada sóbria onde se destaca o janelão do coro encimando a galilé de três arcos com gradeamento de ferro entre eles. No telhado ladeando o frontão pode-se observar dois fogaréus. O templo, de uma só nave e teto em abóbada possui coro, e um púlpito em mármore da Arrábida onde sob a verga da porta de acesso ao mesmo se pode ler a inscrição Palmela.

O interior apresenta as paredes da nave revestidas de diversos painéis de azulejos azuis e brancos do século XVIII figurando cenas da vida de Nossa Senhora. Na capela-mor destaca-se um magnífico retábulo de estilo joanino em madeira exótica datável do século XVIII.

Sob o nicho do retábulo do altar-mor onde se encontra a imagem de Nossa Senhora podemos observar um grandioso conjunto escultórico em talha dourada típico da magnificência joanina. No conjunto podemos descortinar dois anjos suportando as armas nacionais do tempo de D. João V cuja coroa se encontra partida bem como um medalhão onde se pode ver o monograma AM encimado por uma coroa, segundo a iconografia mariana. De acordo com a tradição a atual sacristia corresponde à antiga ermida.

A igreja situa-se num local elevado donde se obtém uma bela panorâmica de toda a região circundante e do estuário do Tejo até Lisboa. Defronte da mesma estende-se um grande adro seguido de uma ampla escadaria ladeada por casas de pequena escala.

O culto a Nossa Senhora de Atalaia é um dos mais importantes da Península de Setúbal, tendo o seu ponto alto no último domingo de Agosto onde se realizam as festas em honra da Padroeira, outrora denominadas de Festa Grande.