Bereits 1275 war am Standort der heutigen Kirche eine Kapelle als Filialkirche von Sursee. Vor etwas mehr als 300 Jahren galt Nottwil als Marienwallfahrtsort. Die heutige imposante katholische Pfarrkirche mit dem weithin sichtbaren, über 60 Meter hohen Turm wurde 1868 bis 1871 nach einem Brand der ehemaligen Kirche (1686-1688) im Stil der damals herrschenden Neugotik erbaut. Sie ist der Mutter Gottes Maria geweiht. Die zweite Patronin ist die heilige Agatha.
Im Innern wurde das Gotteshaus mehrmals renoviert, zum letzten Mal 1987 bis 1989. 1990 wurde als krönender Abschluss der Renovationsarbeiten eine neue, romantisch intonierte Kirchenorgel mit 27 Registern eingeweiht. Mehr als die Hälfte der Register konnten von der alten Orgel übernommen werden.
Im Jahre 2000 folgte eine Aussenrenovation und 2003 eine Aussenplatz-Neugestaltung.