A metà del XIX secolo, il vescovo Vincenzo Materazzi, sensibile alle difficoltà della popolazione di Palombaio, si adoperò per dotare il borgo di una chiesa e di una canonica. I lavori iniziarono nel 1855 su progetto dell’architetto Masotino.

La costruzione si concluse nel 1859 e l’8 maggio dello stesso anno, in occasione della ricorrenza del dogma dell’Immacolata Concezione proclamato nel 1854, la chiesa venne benedetta e consacrata alla Vergine, come attestato dall’epigrafe scolpita sull’architrave della porta maggiore.

L’edificio, in stile dorico, presenta proporzioni armoniose: è alto 13 metri, lungo 17 e largo 8. La pianta si sviluppa in una sola navata con una cupola centrale e tre altari lavorati in pietra calcarea di Bitonto.

Il campanile a vela a due luci è opera dell’architetto Angelo Messeni, che già aveva progettato il teatro Petruzzelli di Bari.

La chiesa è dotata di un battistero in pietra levigata e di un organo accompagnato da un armonium.

L’altare maggiore, un tempo dedicato alla Vergine Immacolata e collocato in una nicchia lignea, è stato sostituito negli anni Sessanta del Novecento. Nello stesso periodo, gli altari laterali furono rimossi e, dopo il Concilio Vaticano II, l’altare maggiore venne spostato a ridosso della parete per rispondere alle nuove disposizioni liturgiche.

Una delle opere più significative della chiesa è la statua della Vergine, commissionata nel 1874 dal primo sacerdote della parrocchia, don Giuseppe Perrini, allo scultore napoletano Enrico Pedace.

Realizzata in legno di ciliegio, si distingue per la sobrietà neoclassica della sua posa, l’eleganza della veste e l’espressività del volto. I tratti realistici richiamano la tradizione dei presepi napoletani, mentre il capo velato simboleggia la sacralità e il manto rosso, agitato dal vento, rappresenta la presenza dello Spirito Santo. Le mani giunte in preghiera evocano obbedienza e raccoglimento.

Nel 2014 un accurato restauro ha riportato alla luce i colori originali, facendo risaltare il contrasto tra le tonalità vivaci della veste e la nube chiara alla base, evocazione della figura biblica della “donna vestita di sole”.

La chiesa è profondamente legata alla devozione popolare, come dimostra un episodio tramandato nella comunità. Si racconta che un bambino, uscito di corsa dalla sua casa nei pressi della chiesa, venne investito da un’auto, ma rimase miracolosamente illeso. La madre, colma di gratitudine, entrò in chiesa e donò alla Vergine la collana del figlio in segno di ringraziamento. Da quel giorno, si crede che la Madonna vegli sulla sicurezza di questo incrocio pericoloso e, secondo la tradizione, nessun altro incidente si sarebbe più verificato.