La chiesetta di Santa Petronilla sorge su un’area già frequentata intorno all’IX-IX secolo a.C. I notevoli massi basaltici disposti attorno all’edificio fanno pensare a un antico luogo di culto, nei pressi del quale doveva trovarsi un nuraghe che diede alla chiesa parte del materiale da costruzione. Nel corso del Medioevo intorno alla chiesa sorgeva probabilmente un piccolo villaggio (una domus o una villa).
Il santuario assume grande importanza a partire dalla titolatura, poiché Petronilla risulta l’unica martire romana venerata in territorio arborense fin dal Medioevo. Pertanto la chiesa costituisce una probabile tappa di pellegrinaggio verso Oristano, aggiungendo un punto alla ideale mappa del culto in Sardegna. A corroborare l’attestazione giunge la tradizione popolare, secondo la quale la chiesa avrebbe avuto una cripta o vano sotterraneo affine a quelli degli altri santuari martiriali. Le indagini archeologiche hanno riportato alla luce al momento una quantità di sepolture, sia all’interno dell’aula che intorno all’edificio. Queste coprono un periodo compreso tra il XIV e il XVIII secolo, ed alcune hanno restituito abbondanti tracce di calce, segno di tumulazioni avvenute in periodo di pestilenze o epidemie.
Quanto all’età dell’edificio, i recenti restauri hanno permesso di circoscriverne meglio la collocazione cronologica. La chiesa si presenta come una costruzione della seconda metà del XIII secolo, ad aula unica con copertura a capriate lignee e impiego di bacini ceramici nella decorazione architettonica, dei quali rimangono solo gli alloggi. La prima attestazione documentaria è del 1341, anno nel quale la chiesa corrisponde le decime alla Sede Apostolica.
In età imprecisata viene demolita la parte terminale della chiesa, ampliando l’aula e riedificando l’abside in forme più moderne (XVII-XVIII secolo). Si sono perse le tracce dell’antica campana ospitata sotto la centina del piccolo campanile a vela sulla sommità della facciata. All’interno si conservano due statue: una d’ambito locale del XVII secolo, ad ornare la nicchietta absidale, e una processionale di bottega cagliaritana della seconda metà del XVIII secolo.