Największą ozdobą świątyni jest zachowana we wnętrzu kościoła, w nawie i prezbiterium, unikalna późnogotycka polichromia ścian z czasów budowy (przedstawia w dwóch pasach sceny Męki Pańskiej) i gotycko-renesansowa polichromia stropów ufundowana przez prymasa Jana Łaskiego, datowana na lata 1520–1531. W ołtarzu głównym znajduje się gotycki tryptyk drewniany z XVI w., z rzeźbami Matki Boskiej z Dzieciątkiem. Malowidła w Grębieniu uważane są za jedne z najbardziej reprezentatywnych przykładów sztuki polskiej tego okresu. W 1668 r. przy kościele istniała dzwonnica, niewielka zakrystia, a zamiast podłogi drewnianej we wnętrzu była ceglana posadzka i jeden ołtarz z wizerunkami rzeźbionymi Najświętszej Maryi Panny i ŚŚ Barbary i Mikołaja. Na przełomie XVII i XVIII w. dobudowano wieżę (mającą też funkcję dzwonnicy) z kruchtą i w ten sposób utworzono nowe wejście od strony zachodniej. Kościół w Grębieniu od początku XVI w. do lat 20. XIX w. znajdował się w parafii Kadłub. W 1827 r. był administrowany przez parafię Pątnów, w 1863 parafię Krzyworzeka,  by w 1904 r. znaleźć się w parafii Dzietrzniki.