L'église de Sainte-Marie est un lieu de culte de tradition catholique construit de 1857 à 1859. D'inspiration néogothique, l'édifice en pierre comporte un plan en croix latine composé d'une nef à trois vaisseaux, d'un transept et d'un choeur en saillie terminé par une abside polygonale. Sa façade comprend une imposante tour-clocher, et des contreforts ornent les angles du bâtiment. Un clocheton coiffe le faîte du toit à deux versants au-dessus de la croisée du transept. La sacristie en pierre d'un étage et demi, greffée à l'abside, présente un plan en « L » et est coiffée d'un toit à deux versants droits. L'église se situe au coeur du noyau de la ville de Sainte-Marie, à proximité de la rivière Chaudière.
L'organisation religieuse de Sainte-Marie commence avec la donation d'un terrain situé le long de la rivière Chaudière par le seigneur Thomas-Jacques Taschereau (1680-1749). Un cimetière y est aménagé en 1748 et une chapelle y est construite en 1754. Celle-ci comprend une chambre pour le prêtre missionnaire. Le premier curé résidant s'établit en 1766. Quatre ans plus tard, la paroisse est érigée canoniquement. La chapelle est remplacée par une église en pierre, construite de 1781 à 1784 par Louis et François Bergevin dit Langevin de Beauport.
En 1853, en raison de l'accroissement de la population et du délabrement de l'église, les paroissiens demandent à l'archevêque de Québec, Pierre-Flavien Turgeon (1787-1867), l'autorisation de construire un nouveau lieu de culte. La requête est acceptée et l'archevêque donne des directives pour que le périmètre de la nouvelle église englobe l'ancienne, afin que cette dernière puisse servir au culte durant la construction, et pour que l'édifice soit doté d'une sacristie extérieure. Ambitieux, le curé Louis Proulx (1804-1871) désire construire la plus vaste église du diocèse de Québec. Les plans, inspirés des églises néogothiques Chalmers-Wesley de Québec et Saint-Michel de Sillery, sont conçus en 1854 par Charles Baillairgé (1826-1906). Les travaux débutent en 1857, sous la direction de l'architecte. La maçonnerie, la charpente du toit et les ouvrages de menuiserie de l'église et de la sacristie sont l'oeuvre des maîtres maçons Augustin Trépanier (1811-1865 ou 1866) et Antoine Gadoua, à qui Pierre Gauthier a cédé le contrat obtenu l'année précédente, et des frères Joseph (1825-1879) et Paul (1824-1905) Breton, maîtres charpentiers. En 1859, l'ancienne église est entièrement démolie, et la nouvelle est terminée.
Le curé Proulx, qui veut aussi doter l'intérieur de son église d'un décor prestigieux, demande à Baillairgé d'en exécuter les plans en 1861. Les travaux, toujours dirigés par l'architecte, débutent l'année suivante. Les frères Breton réalisent l'ensemble du décor architectural et sont chargés de peindre tout l'intérieur en blanc et de rehausser les détails de dorures. L'architecte et sculpteur François-Xavier Berlinguet (1830-1916) exécute le maître-autel et les autels latéraux en 1866, année qui marque la fin des travaux. Même si les avis sont partagés, certains considérant l'église prétentieuse, l'archevêque Charles-François Baillargeon (1798-1870) admet en 1867 qu'il s'agit d'un édifice remarquable. Quant à Baillairgé, il compte cette église parmi ses oeuvres majeures et considère son décor comme l'un des intérieurs gothiques les plus réussis au Canada.
En 1880 et 1881, la sacristie est dotée d'une annexe terminée par une abside. L'aspect actuel de l'intérieur de l'église est redevable à François-Édouard Meloche (1855-1914), peintre-décorateur réputé de Montréal, qui en 1887 réalise les peintures murales et repeint l'ensemble des surfaces avec des motifs au pochoir et un décor en trompe-l'oeil. De plus, les garde-corps d'origine en fer forgé des galeries et des tribunes sont remplacés par des balustrades en bois, et la tribune supérieure est agrandie. En 1891, cette dernière accueille un orgue de Napoléon Déry (1843-1908), qui sera remodelé par la maison Casavant et Frères en 1916. En février 1918, le clocher est incendié par la foudre et s'effondre. Il est reconstruit par les entrepreneurs Paquet et Godbout, selon les plans de l'architecte Georges-Émile Tanguay (1857-1923).
Le bas-relief en bois du XVIIIe siècle intitulé la « Vierge à l'Enfant dans un paysage » ou la « Madonne des croisades », situé à l'arrière de la nef, est classé en 1980. L'église est entièrement restaurée en 1987.
L'église de Sainte-Marie est classée en 2001. Elle est désignée lieu historique national du Canada en 2006.
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