Statinys yra vienabokštis, stačiakampio plano, viduje gaubiantis tris navas su trimis altoriais. Nemunėlio Radviliškyje bažnyčių istorija prasidėjo XVIII amžiuje, kai buvo pastatytos katalikų koplyčia ir medinė bažnyčia. Vėliau, Jono Tiškevičiaus iniciatyva pastatytas Švč. Mergelės Marijos šventorius.
Pirmojo pasaulinio karo metu, atsitraukiant rusams buvo sugriautas šios bažnyčios bokštas, sudegė stogas, altorius ir vargonai, tačiau parapijiečių rūpesčiu visa tai buvo atkurta. Nemaža žalos padaryta ir Antrojo pasaulinio karo metu. 1959 – 1976 m. šioje vietoje gyveno ištremtas vyskupas Vincentas Sladkevičius, kurio garbei bažnyčioje puikuojasi jo paties bareljefas.
Šiandien šventoriuje galima pasigrožėti nebenaudojamais dumplėmis varomais vargonais, vertingomis monstrancijomis, žvakidėmis bei puošniais liturginiais drabužiais. Be to, tai viena iš 20 Lietuvos šventovių, turinčių tokį patį vardą.