La chiesa di Santa Gemma, edificata sui resti di una primitiva chiesa dedicata a San Giovanni, fu destinata al culto della Vergine nel 1613 dopo la traslazione del sacro corpo, già avvenuta nel 1427. All’inizio del XVI secolo venne demolita e ampliata a tre navate; in quella di sinistra fu inclusa l’area della angusta cella anacoretica di Santa Gemma Vergine. Col passare degli anni, e precisamente verso la metà del XVIII secolo, furono necessari nuovi interventi poiché la capienza e le condizioni del santuario non erano più idonei al continuo afflusso dei pellegrinaggi. I lavori terminarono intorno al 1847.
La nuova chiesa presenta tutt’oggi una cupola alta, slanciata e luminosa, e tre navate con relativi ingressi. L’altare maggiore conferma lo stile architettonico tardo barocco. Nell’abside quattro grandi affreschi sintetizzano i momenti più rilevanti della vita della Santa. Come nella precedente chiesa, nella navata sinistra è dedicato un altare a San Gordiano martire, in passato patrono di Goriano Sicoli. Nella navata opposta, invece, un altro altare è intitolato a San Giovanni Battista e a San Rocco. All’interno della chiesa è presente una tela che raffigura S. Antonio da Padova, opera del noto pittore Teofilo Patini. A seguito dell’evento sismico del 2009, il sacro corpo della Vergine è ancora custodito nella vicina chiesa di San Francesco d’Assisi. .