La chiesa di Santa Illuminata si crede eretta sopra il sepolcro della santa ravennate. La fanciulla, divenuta cristiana, per sfuggire alle persecuzioni e per non andare sposa al prefetto di Ravenna, Sebastiano, fuggì dalla sua città e si rifugiò nella Civitas Martana. Qui fu raggiunta dai genitori con i quali visse, fino alla morte, nella località dove poi fu sepolta e che allora si chiamava "bagni di i Papiniano ".
La chiesa risale al secolo XI. Nella stessa epoca fu costruito anche l'annesso monastero, che fu retto dai monaci camaldolesi e dipendeva da Sant'Apollinare in Classe di Ravenna, come risulta da un documento del 1138 degli Annales Camaldulenses. Il monastero di Santa Illuminata è ricordato ancora in un documento del 1185 ed in un privilegio di Gregorio IX del 1229. Soppresso il monastero, la chiesa passò al Capitolo della cattedrale di Todi e nel 1260 ne fu priore Benedetto Caetani, il futuro papa Bonifacio VIII.
La facciata ha un caratteristico portale a tutto sesto con quattro archi rientranti, affiancato da due arcate cieche, anch'esse a tutto sesto. Sopra la porta centrale si apre una bifora con colonnina di marmo. In alto è incastonata una lastra alto medioevale, databile al IX secolo. Una bella Croce ad intreccio divide la lastra in quattro scomparti, in ciascuno dei quali è una figura. In alto due uccelli, poggianti sui bracci della Croce; in basso, a sinistra, un uomo tira l'arco in direzione dello scomparto di destra, dove è raffigurato un cervo che bruca le foglie di un ramo germogliante dalla base della Croce.
Nella parte posteriore della chiesa è ancora visibile una parte dell'abside superiore con due feritoie per l'illuminazione. Un campanile a vela è innalzato sulla sommità della parete, non in simmetria con il centro. L'interno, molto rovinato e rimaneggiato, è costituito da una sola navata, che in origine aveva il presbiterio rialzato con sottostante cripta ed era coperto da volta a botte con sottarchi.
La volta è crollata, ma sono chiaramente visibili le tracce sulla parete di fondo.
Nella zona presbiteriale, ad un'altezza di circa tre metri, tanto nella parete destra che in quella sinistra, vi sono delle sporgenze che costituiscono il punto d'appoggio per la volta che sosteneva l'antico presbiterio sopraelevato come nella vicina chiesa dei SS. Fidenzio e Terenzio. Sulla parete sinistra è l'imposta della volta e vi sono dei pilastri che dovevano sostenere gli archi della navata.
Anche della cripta restano tracce evidenti come si può vedere dall'abside inferiore, che scende di un metro e mezzo circa sotto il pavimento. Le pareti interne, intonacate, recano tracce di affreschi molto rovinati ed illeggibili. Di notevole un quadro settecentesco del pittore Giovanni Andrea Lezzerini raffigurante un episodio della vita di S. Illuminata. Nel cortile dell'attigua casa colonica, già monastero, vi è un grazioso pulpito e due bellissime bifore di forma inconsueta.