L’església de la Sang constitueix el primer recinte cultural d’època cristiana de la localitat. Després de la conquesta de la vila pel rei Jaume I, es va procedir a la construcció del temple parroquial. A l’origen es tracta d’una església del tipus que s’anomena de reconquesta. Aquestes es caracteritzen per presentar una nau de saló, amb arcs diafragma o apuntats que serveixen per a sostenir la coberta llenyosa, amb doble vessant o bé plana, com possiblement siga el cas de Vilafamés.
A la construcció inicial de l’església, dedicada a Santa Maria, es van aprofitar una sèrie d’elements arquitectònics preexistents com ara un aljub d’època hispanomusulmana –damunt del qual es va construir la nova església i que després va servir com a cripta d’enterraments–, i part de la muralla, igualment d’època andalusina i reformada el segle XIV.
De l’església original encara es conserven la porta sud d’accés, amb arc de mig punt, i les arrancades dels arcs diafragma, a l’interior del temple, així com restes pictòriques de l’antic retaule mural que es localitzava a la capçalera de l’església. Aquestes pintures constitueixen un dels escassos exemples de pintura gòtica mural existents a la Comunitat Valenciana, fet que les dota d’un gran valor històric i patrimonial.
Entre finals del segle XIV i principis del segle XV, l’església va patir la primera reforma, es va produir una ampliació cap a la part dels peus.
Durant el segle XVII, amb la construcció del nou temple parroquial, l’església de Santa Maria va quedar en desús. Aquest fet va motivar que la Confraria de la Puríssima Sang de Jesús de la localitat, sol·licitara a l’Ajuntament la cessió de l’església. El 8 de gener de 1612, l’Ajuntament va acordar la donació. Això va comportar que, amb el temple en mans de la Confraria, es produira una gran reforma d’aquest. Una reforma que va afectar tant en l’àmbit estructural, per la mutilació dels arcs diafragma de la primitiva església gòtica, com en l’àmbit dels elements ornamentals, canvis que donaran lloc a la configuració actual de l’església i passarà a anomenar-se, a partir d’aqueix moment, com església de la Sang, que fa referència al titular de la mateixa el Crist de la Sang.
L’església actual s’articula en una nau rectangular amb un quadrat sortint al costat de l’Evangeli (la capella de Santa Bàrbara). De quatre trams més presbiteri, presenta un cor alt als peus i capelles als laterals entre contraforts. En l’alçat s’usen pilastres adossades d’ordre corinti, que suporten un entaulament amb ressalts als eixos de les pilastres. Damunt d’aquestes se situa la cúpula de canó dividida per arcs faixons amb llunetes però sense llum directa. Els únics punts de llum que presenta l’església són la finestra espitllera del presbiteri i la que hi ha al cor.
Pel que fa a l’ornamentació interior destaquen els diferents retaules barrocs (altar major, capella de Sant Cristòfol, capella de Santa Bàrbara i capella de la Dolorosa) i les pintures al fresc, amb efectes il·lusionistes i motius de la Passió al presbiteri, atribuïdes a l’entorn dels Guilló Barceló.