L'edificio religioso fu costruito in un lungo periodo di tempo a cavallo tra la fine del Duecento e la metà del Trecento ed era inizialmente adibito a funzioni conventuali: i lavori ebbero inizio nel 1296 e terminarono soltanto nel 1345.
Nella seconda metà del Cinquecento venne dismesso il convento e la chiesa divenne la pieve di riferimento della zona; in epoche più recenti, l'edificio religioso è divenuto propositura, svolgendo ancora oggi le funzioni parrocchiali di Paganico.
In epoca barocca venne trasformata gran parte della navata interna, mentre una serie di interventi di ristrutturazione avvennero nel corso del Settecento, quando fu aggiunto il campanile nella parte laterale posteriore sinistra rispetto alla chiesa.
Nel 1933 l'edificio religioso subì pesanti restauri che hanno modificato la facciata originaria.
La chiesa si caratterizza per una semplice facciata, col portale sormontato da un arco a tutto sesto; nella parte superiore si apre un piccolo rosone. Il campanile si presenta tozzo.
Al suo interno, è conservato nell'abside un ciclo di affreschi trecenteschi attribuiti al pittore di scuola senese Biagio di Goro Ghezzi, uno dei più importanti dell'epoca realizzati in provincia di Grosseto: l'intero ciclo, completato nel 1368, copre tutte le pareti e la volta del coro e raffigura le Storie di San Michele Arcangelo tratte dai Vangeli apocrifi.
Un'altra opera d'arte di rilievo è una tavola rinascimentale, raffigurante la Madonna in trono e santi, realizzata nel 1476 da Guido Cozzarelli. Le altre tavole e gli affreschi spaziano tra il Trecento e il Quattrocento: la Madonna col Bambino in trono e i Santi Giovanni Battista, Michele, Gregorio Magno e Sebastiano fu realizzata tra il 1470 e il 1480 da Andrea di Niccolò.
Nella chiesa è custodito anche un Crocifisso quattrocentesco, forse opera di un artista nordico, che secondo la tradizione in passato fu spesso al centro di contese tra gli abitanti di Civitella Marittima e quelli di Paganico; di pregevole fattura è anche un grande ciborio eucaristico a forma di tempio architettonico in legno intagliato e dorato con gli specchi interni dipinti dal Riccio (1538-40)