Le prime testimonianze dell'esistenza della Chiesa risalgono al 1400, quando vi risultavano insediati alcuni frati Domenicani. Fu poi ricostruita nel 1600 con l'aggiunta della Sacrestia, mentre la chiesetta ed il campanile ne costituiscono la parte più antica. I diversi stadi della costruzione si riflettono nelle diverse coperture dei vari ambienti: le volte a crociera della chiesetta, la cupoletta emisferica della sacrestia, le volte a botte delle celle monastiche. Notevoli sono le affinità costruttive e stilistiche con la Certosa di San Giacomo, il che riconduce l'eremo di Cetrella nel comune stile architettonico gotico introdotto e diffuso a Capri dai monaci Certosini.

Dopo molti decenni di abbandono, la Chiesa ed Eremo di Santa Maria di Cetrella è stata in anni recenti ristrutturata ed ha ripreso a funzionare anche come sede liturgica in particolari occasioni: alcune giornate di Maggio (il mese tradizionalmente dedicato alla Madonna) e di Ottobre (ricorrenza annuale di questa chiesa), quando viene celebrata anche la Messa dei Marinai, a testimonianza del loro antico legame con questa chiesa. Oltre a queste occasioni speciali la chiesa viene aperta generalmente una volta la settimana, il Sabato pomeriggio fino al calar del sole.