L'attuale Chiesa è la riedificazione fatta fare dai Frangipane a partire dal primo quarto del 1600, in sostituzione dell'antica chiesa omonima già esistente nel borgo fortificato. Questa edificata dai monaci cistercensi durante il loro possesso di Nemi è da collocare nel XII secolo. Nemi fu ricevuto  da loro  come soggiorno per il periodo estivo da Anacleto II nel 1130 che lo concedeva all'Abbazia di S. Paolo. Passò con Eugenio III, dopo il distacco dall'Abbazia di S Paolo del Monastero delle Tre Fontane a quest'ultimo.  Ad opera dei monaci venne edificata una nuova Chiesa, all'interno della cinta muraria, presso la torre del castello, "in loco qui dicitur cisternule" e per questa localizzazione assunse il nome di S. Maria del Pozzo. La nota delle Chiese del 1569, conservata nell'archivio diocesano ne da una descrizione alquanto sommaria: oltre l'altare maggiore, vi erano a sinistra quelli di San Nicola, Sant'Antonio e San Giovanni; a destra quelli di San Giuseppe della Concezione, a cui va aggiunto l'altare di S. Lucia.
Questa Chiesa, assai piccolina 64 palmi per 46, dunque circa 16 metri per 11.50, era divenuta "vetusta e rude" e ormai fatiscente. Questi motivi, uniti alla necessità di trasformare l'antico castello medioevale in degna dimora nobiliare, insieme alla particolare devozione nutrita dal Frangipane, spinsero Mario e Pompeo, a dare inizio ai lavori della nuova Chiesa. La costruzione faceva parte di un riassetto urbanistico dell'intero nucleo abitato che sicuramente si stava già estendendo fuori dell'antica cinta muraria del castello, che incluse a partire dal 1637 anche la realizzazione del complesso per i Minori Osservanti edificato a cento passi dal paese, cioè il convento e la Chiesa di Versacarro, oggi del Crocifisso, compiuti nel 1645.
La visita Altieri del 1636, attesta che in quell'anno della nuova Chiesa parrocchiale erano in piedi tutte le mura e le cappelle, ma che mancava del tetto. Ad una unica navata, chiusa in fondo dall'abside, con due grandi altari nel transetto, e sei cappelle, tre per lato lungo l'aula, la Chiesa rispecchia in tono minore, l'impianto tipologico della Chiesa del Gesù a Roma. Il progettista della Chiesa non ci è noto, ma per il disegno dell'altare maggiore, profondamente analogo a quello della Chiesa dell'Immacolata presso il complesso dei Cappuccini in via Veneto, realizzato da fra Michele da Bergamo, architetto pontificio e fabbriciere dell'ordine, non è da escludere qui un suo intervento. Profondamente trasformata nelle decorazioni architettoniche interne nell'ottocento, con gli stucchi e con la facciata opera di Giuseppe Camporese, conserva tuttavia ancora alcune notevoli testimonianze delle decorazioni seicentesche. Di particolare importanza quelle rinvenute nel 1934 durante i lavori di ripulitura della Chiesa, nella cappella dell'Addolorata, che hanno permesso di individuare quella che nelle descrizioni della Chiesa del del 1726 era la cappella di san Giuseppe o della Natività: la seconda cappella a sinistra. Infatti furono ritrovate parti della decorazione pittorica commissionata dalla Vedova Ponziani nel 1660 e fatta realizzare dal pittore romano Luca Melmelardi per il prezzo di scudi cinquanta. Questa decorazione includeva una serie di dipinti relativi agli episodi dell'infanzia di Gesù, a corona del dipinto a olio rappresentante l'adorazione dei pastori, ormai scomparso, che era posto sull'altare: la fuga in Egitto, la strage degli innocenti, e quelli ancora oggi rimanenti: l'adorazione dei magi e la presentazione al tempio. A destra di questa cappella vi è quella che in origine era dedicata all'Assunta, che conservava sull'altare una tela ad olio rappresentante la Vergine ascendente fra gli Apostoli, oggi trasformato in battistero e a sinistra quella di San Francesco Saverio, nella quale oggi sono collocati il trittico quattrocentesco di scuola antoniazzesca e l'antico Crocifisso della Confraternita de Ssmo Sacramento. Il quadro di s. Francesco Saverio è stato collocato nell'abside alla sinistra dell'altare.
Le altre tre cappelle a destra sono nell'ordine quella oggi di San Giuseppe ove si venera un piccolo tondo ad olio raffigurante il Santo. In questa era collocato il quadro della Madonna di loreto fra i Santi Giovanni Battista ed Evangelista, oggi collocato nell'abside a destra. Segue quella del Rosario, in cui era eretta la Confraternita omonima, che ne aveva la cura e che ne curò la decorazione: di questa restano due affreschi anteriori al 1728 raffiguranti due santi domenicani, San Pio V e san Pietro martire, a sinistra e di fronte san Rocco e Apollonia. In questo altare vi era l'indulgenza plenaria per sette anni per "l'anime delli fratelli et sorelle defonti" della Confraternita, concessa dal  Papa Innocenzo XIII. Oggi vi è la statua della Madonna della Mercede. La terza cappella, dedicata in precedenza del crocifisso, e nella quale si ha memoria vi fosse un affresco della Maddalena prostrata ai piedi della croce, oggi conserva sia l'antico stendardo processionale delle due confraternite, quelle del Sacramento e del Rosario, realizzato intorno all'ultimo quarto del XVIII secolo, sia il rifacimento moderno realizzato per la processione dei patroni del primo maggio.
La cappella di destra del transetto è dedicata alla Madonna del Pozzo, titolare della Chiesa, con i santi Filippo e Giacomo patroni del paese, anticamente curato dalla Civica Amministrazione Di esso bisogna notare il dipinto cinquecentesco proveniente dall'altare maggiore della antica parrocchia e l'affresco seicentesco del monogramma mariano in alto sopra gli stucchi dell'altare. La cappella del braccio di sinistra rimase incompiuta già all'epoca dei Frangipane poiché doveva diventare l'oratorio del SS.mo Sacramento. Solo successivamente a cura e spese della Confraternita stessa venne rifinita e vi fu posta la santissima Eucarestia. Con l'erezione nel 1779 di un oratorio autonomo della Confraternita distinto dalla parrocchiale, venne dedicata a San Martino di Tour con la collocazione di un dipinto ormai scomparso. Oggi vi è collocata una statua marmorea del Sacro Cuore.
Unico altare in marmo è quello maggiore. Fra due colonne scanalate sorrette da due basi in marmi policromi, recanti lo stemma dei Frangipane, sormontate da capitelli compositi, chiusi in alto da un timpano spezzato vi e una tela raffigurante l'Immacolata Concezione, copia del dipinto del Lanfranco che si trovava presso la suddetta Chiesa dei Cappuccini in Roma. Questo altare era curato dalla Confraternita del SS.mo Sacramento. Prima dei restauri della Chiesa avvenuti negli anni settanta, l'intera abside era delimitata da una balaustra in marmo nero e giallo, oggi scomparsa.
La decorazione della volta della Chiesa realizzata nel 1934 a spese della Confraternita, conserva solo un valore documentario per la tecnica di realizzazione: Compiuta dal Maestro Rufa con aerografia. 
In fondo alla Chiesa, sopra la porta di accesso è collocato un organo ottocentesco proveniente dalla Chiesa dell'Aracoeli in Roma acquistato e qui collocato nel 1936, del quale si attende un profondo restauro.

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