Papa Sisto V Peretti ha voluto ubicare questa chiesa dove precedentemente sorgeva la sua casa natia, ed è una delle chiese più significative rispetto al rapporto che legava Sisto V e la sua famiglia alla cittadina di Grottammare.
La progettazione all'inizio venne affidata a Domenico Fontana, architetto che era stato il curatore delle più importanti opere realizzate a per lui a Roma, e prese avvio nell'Aprile del 1590. Dopo pochi mesi il Papa cessò di vivere e conseguentemente i lavori si fermarono.
Fu Camilla Peretti, sorella del defunto, che riprese la costruzione, come testimonia la scritta posta sull'architrave del portale d'ingresso ("Dive Lucie Camilla Pirieeta Dicavii"). La chiesa venne costruita seguendo un progetto differente e fu terminata nel 1595. Solo due anni dopo Clemente VIII l'elevò a Collegiata.
Santa Lucia è l'elemento più suggestivo del paese ed è collocata in una posizione di chiara visibilità.
La facciata, orientata a levante, si apre su di una piazza e il suo stile essenziale si ispira all'architettura tardo cinquecentesca. La chiesa è composta da un imponente corpo squadrato dal quale emerge il tamburo ottagonale che cela parzialmente la cupola e il campanile in laterizio con due campane.
Il portale d'ingresso in travertino è sormontato da un timpano curvilineo e dallo stemma di Sisto V: il leone rampante che stringe un ramo di pero sovrastato dai simboli papali (le chiavi decussate e la tiara).
La pianta quadrata a croce vede lo spazio centrale delimitato da quattro pilastri sui quali poggiano gli archi che sostengono la cupola, e quattro cappelle dove, nel corso del XVIII, sono stati collocati altari minori in stile tardo barocco.
L'altare maggiore è composto da un pannello ligneo intagliato con motivi architettonici che creano un effetto prospettico; in questa cornice è stata inserita un pala d'altare con la raffigurazione del "Martirio di Santa Lucia", del XVII sec.
Nella prima cappella di sinistra vi è un altare del 1731 dedicato a San Francesco da Paola, che contiene una tela raffigurante il santo, risalente al XVII secolo.
Presente anche una tela con il tema dell'Annunciazione datata XVII, e l'altare di San Giuseppe con la statua lignea del 1754.
Un altro altare è dedicato a San Nicola da Tolentino, con tela della "Madonna col Bambino, S.Nicola e le anime del Purgatorio", mentre sulla parete di destra è posta una tela del XVII secolo con la figura della Discesa dello Spirito Santo. Sull'altare dedicato a San Vincenzo Ferreri, del XVIII secolo, è ospitata una tela raffigurante la Madonna con il santo fermano, opera di Ubaldo Ricci (1669-1732).
Nell'edificio è presente anche un organo del 1752, costruito da Francesco Fedeli e recentemente restaurato.