Su fundación es de origen prehispánico; aparece con el nombre de Nunualco en el plano reconstructivo de la ciudad de Tenochtitlan de Luis González Aparicio. En la época novohispana formó parte de las tierras del Marquesado del Valle y por lo tanto fue barrio dependiente de la jurisdicción de Coyoacán.
En el año de 1553 un visitador del rey se dirigió al pueblo de Nunualco Santa María para averiguar los tributos y saber si eran justos o no. En el documento encontramos la siguiente descripción: "comparecen (ante las autoridades de Tacubaya) don Pedro de Santa María del barrio de Santa María que se dice Nunualco".
El templo fue construido en el siglo XVI y consta de una nave cubierta de cañón corrido con lunetos; tiene crucero con cúpula cubierta de azulejos; la torre no forma un cuerpo aislado. Ha tenido intervenciones en sus elementos arquitectónicos y decorativos porque faltan, según lo describe Jorge Enciso, "los colaterales del siglo XVIII de madera tallada, dorada y policromada, pinturas al óleo, una escultura estofada de la Asunción" que formaron parte del templo y fueron el sustento para declararlo monumento histórico el 1 de septiembre de 1932.
Conserva características de su época constructiva en la portada principal formada por un arco de medio punto de cantera labrada con relieves a todo lo ancho y largo del arco. La arquería que forma la portada del atrio consta de tres arcos de cantera ornamentados con ángeles y querubines. Su original del siglo XVI.
Por documentos encontrados en el Archivo Geográfico de monumentos Históricos, se refiere la existencia de una tumba del siglo XVI, cuya construcción tiene influencia de la arquitectura árabe. Se deduce por este hecho el uso del atrio como cementerio desde el Siglo XVI. La traza del pueblo fue fraccionada cuando se realizaron las obras del Anillo Periférico; entonces quedó separado en dos. El templo, la vía del ferrocarril a Cuernavaca, las construcciones colindantes al templo, las más antiguas de los siglos XVIII y XIX se conservaron hacia el lado poniente del Periférico. El resto de callejones, manzanas urbanas y viviendas modestas que, formaron parte del primitivo barrio se encuentran separados hacia el oriente del Periférico, formando la colonia Santa María Nonoalco en la Delegación Álvaro Obregón.
Al templo parroquial le antecede el atrio, delimitado por una barda de cantera con un acceso al frente, ricamente ornamentada. El templo es de pequeñas dimensiones con una portada labrada en cantera. Al lado izquierdo se le adosó una construcción moderna para la casa cural.
