Le origini della chiesa si perdono negli anni antecedenti il Mille. Rifatta in epoca romanica, deve aver subito nuove trasformazioni e aggiunte verso la fine del Quattrocento, quando era aperto a Lonigo il cantiere della Madonna dei Miracoli.

Dalle mappe del Settecento, conservate in Comune, la chiesa appare ad unica navata, arricchita di varie cappelle nell'abside e sul fianco meridionale. Per ovviare a questo pittoresco disordine il principe Andrea Giovanelli volle il rinnovamento completo della chiesa, o meglio la sua ricostruzione su disegno dell'architetto Antonio Zanella. Innumerevoli memorie del passato caddero così nell’oblio, anche se lo Zanella volle ripetere lo schema dell’antica chiesa, a unica navata con transetto e cappelle absidali, usando vari frammenti scultorei di portali ed altari.

Nella ricostruzione non venne ripristinato il coro pensile che i canonici di San Giorgio in Alga avevano voluto a metà della navata. La porta a mezzogiorno è una copia di quella maggiore, ricca di una decorazione scultorea di gusto rinascimentale perfettamente inserita nello stile che lo Zanella diede all'edificio.
Le ampie finestre, le paraste e la fascia di gronda che ornano il fianco meridionale e l'abside della chiesa furono compiute da maestranze locali con grande finezza e precisione. Il campanile che si alza sulla piccola abside della cappella di Sant’Orsola è chiaramente quello romanico, almeno fino alla cella campanaria.

La porta maggiore che si apre nel giardino dei principi presenta una bellissima decorazione con testine di angeli, rosoncini e, sull'architrave, l'immagine dell'Eterno Padre. Completamente rinnovato l'elegante rosone strombato che dà luce alla navata.

L'interno è a croce latina in stile primo Rinascimento veneto lombardo.
Sopra la porta maggiore c'è la loggia dei principi comunicante con il piano nobile della villa; sopra le altre due porte del transetto due piccole cantorie non praticabili.
Lungo la navata sono appesi quadri e pale della raccolta dei religiosi pavoniani; in particolare è da notare, a sinistra, una piccola pala con la Visitazione di Maria ad Elisabetta, di ignoto autore ma per il ricco colore attribuibile a scuola veneta tardo cinquecentesca; segue la Chiamata dei figli di Zebedeo, di ignoto autore settecentesco, fredda e a volte goffa rappresentazione della scena evangelica in riva al lago di Tiberiade.

Bellissima la cappella dell'Immacolata nel braccio destro del transetto, ove la disposizione dei marmi, la elegante decorazione in stucco delle pareti e la fine volta dipinta rivelano il gusto ottocentesco della villa. Sulla mensa la statua dell'Immacolata,  capolavoro dello scultore veneziano Luigi Borro. La giovinetta, colta in un momento di estatico raccoglimento ricorda figure tiepolesche nella elegante posa delle mani e nel ricco abbigliamento, perfetta la resa del serpente che morde la mela. A sinistra dell’altare, si trova il monumento della Fede dedicato al principe Andrea Giovanelli. La statua, opera fredda, compassata ma nobile del canoviano Luigi Ferrari, deriva dalla statua della Religione che il Canova aveva ideata per la basilica di S. Pietro in Vaticano. Di fronte, il busto del pontefice Pio IX, amico del Principe. Sempre lodata per la felice rappresentazione del vero, è opera egregia dello scultore veneziano Antonio Dal Zotto.