La chiesa si trova nella periferia dell’abitato di Ghilarza, in uno spazio verde in cui è presente anche la torre aragonese. L’edificazione avvenne nel primo quarto del XIII secolo; secondo un documento del Condaghe di Santa Maria di Bonarcado, era un luogo in cui si teneva udienza per dirimere le controversie locali.
Il paramento murario della chiesa, costruita in stile romanico, è caratterizzato dalla bicromia, dovuta all’alternanza di pietre in trachite rosa e bruna. L’edificio originario era a una sola navata; nel ‘600 furono aggiunte due cappelle a formare un transetto e fu ricostruita l’abside in forme quadrangolari. I fianchi, di cui solo quello meridionale risulta visibile, sono decorati nella parte alta da archetti; da uno di questi emerge una figura umana scolpita nell’atteggiamento dell’orante.
Secondo la tradizione la chiesa si erge nel luogo del venerato sepolcro di Palmerio, un soldato romano ucciso nel IV secolo per essersi convertito al cristianesimo.