A causa delle ripetute frane e dell'aumento demografico, nella seconda metà del XVIII secolo, si decise di sviluppare la città di Grottammare verso la costa. Il progetto del nuovo assetto urbanistico venne affidato all'architetto Pietro Augustoni nel 1779, il quale ideò che il nuovo insediamento doveva essere organizzato intorno alla piazza centrale, aperta sulla Via Lauretana, e ospitante la nuova chiesa dedicata a San Pio V. I lavori di edificazione della chiesa ebbero inizio nel 1780 e seguirono in una prima fase il progetto originario, come si può vedere nella navata centrale e nell’abside. La costruzione si protrasse a lungo: infatti tra il 1847 e il 1850 la chiesa fu ampliata e a questo momento costruttivo risale il completamento della navata centrale e la realizzazione della nuova facciata progettata dall’architetto Virginio Vespignani. Invece, la costruzione del campanile fu iniziata nel 1929 e completata nel 1955 su disegno dell’architetto Emilio Ciucci.
La facciata della chiesa, ispirata alle chiese romane del Vignola, è realizzata in mattoni a faccia a vista ed è divisa in due ordini, sottolineati da un cornicione aggettante decorato da dentelli. Nella sommità del prospetto, terminate con un timpano triangolare, è posto un rosone semicircolare sormontato da un orologio. L’ordine inferiore è scandito da quattro lesene ioniche che imitano il protiro classico e, al centro, il portale che ripete nella sua cornice architettonica il motivo del timpano triangolare. Il portale è un'opera moderna, poichè progettato dallo scultore Aldo Sergiacomi nel corso del XX, ma realizzato solo dopo la sua morte dalla sua collaboratrice, Fausta Derna Perozzi, e donato alla chiesa da Diego Scartozzi. Qui sono raffigurati: la Sacra Giubilare, la salita al seggio pontificio di Sisto V, San Francesco d’Assisi, il patrono di Grottammare San Paterniano, Santa Teresa e San Umberto, a ricordo dei genitori del committente.
L’interno è molto ampio e luminoso e presenta una pianta a croce latina, con una navata centrale terminante con un’abside e due navate laterali, separate dalla principale con archi a tutto sesto. All’incontro tra navata principale e transetto si colloca la cupola, con copertura a ombrello a otto falde su tamburo ottagonale. Le pareti della navata principale ospitano la Via Crucis in ceramica di Cleto Capponi e l’ambone dello scultore Ubaldo Ferretti. Un pregevole battistero architettonico, culminante con una statua lignea raffigurante San Giovanni Battista è contenuoto nella chiesa.
La pala dell’altare maggiore, opera del pittore recanatese Luigi Falconi, rappresenta San Pio V in preghiera davanti alla Vergine, nell’atto di ringraziare la Vergine Maria per la vittoria della flotta cristiana su quella turca. Al di sotto della pala, nella zona absidale, si trova il coro ligneo e il seggio ligneo. Altre pitture di pregio sono la tela raffigurante la Madonna, San Domenico e Santa Caterina di Luigi Fontana (1827-1908) e quella con San Filippo Neri del Felici.
Inoltre nella chiesa si conserva anche un pregevole organo realizzato nel 1784 da Gaetano Callido per la Chiesa di Santa Maria ai Monti e trasferito nella chiesa di San Pio V nel 1864, in seguito alle soppressioni degli ordini religiosi seguite all’unificazione dell’Italia.