L'église Notre-Dame-des-Sept-Douleurs de Talence est construite de 1841 à 1847 par l'architecte bordelais Auguste Bordes (1803-1868) dans le style gréco-romain. Auparavant, trois édifices consacrés à la Vierge Marie ont précédé l'actuelle église de Talence. Parmi ceux-ci, une église paroissiale est construite à partir de 1821. En 1826, des désordres apparaissent dans les maçonneries, notamment à cause du sol mouvant et l'accès au sanctuaire est interdit dès 1835. Le 24 mars 1839, le conseil municipal se réunit et vote à l'unanimité pour la reconstruction totale de l'édifice. Le 7 octobre 1841, les plans et devis d'Auguste Bordes sont approuvés par le Conseil des Bâtiments civils et la pose de la première pierre a lieu le 27 mars 1843, en présence de Monseigneur Donnet, Archevêque de Bordeaux (1795-1882). La consécration de la nouvelle église à lieu le 12 août 1847 et l'achèvement des travaux est daté du 6 février 1848. 

Cependant, l'église Notre-Dame de Talence devient bien vite trop petite pour l'accueil des fidèles. Ce lieu est le sanctuaire marial le plus fréquenté de toute l'agglomération bordelaise. Par conséquent, l'architecte Michel Garros (1923-2017) propose un projet d'agrandissement de l'édifice en le prolongeant d'une vingtaine de mètres. La campagne de travaux débute en 1962 et l'inauguration est célébrée le 12 décembre 1964. Enfin, des travaux de réaménagement de l'espace intérieur sont entrepris au mois de juillet 2017.

L'église Notre-Dame-des-Sept-Douleurs abrite, dans l'une de ses chapelles latérales, une Pietà datée du XVe siècle.  Elle est protégée au titre des Monuments historiques (classée).