Το Κάστρο της Βελίκας είναι μια οχύρωση της Ελληνιστικής περιόδου και της εποχής της Ύστερης Αρχαιότητας που περικλείει οικισμό έκτασης περίπου 21 στρεμμάτων. Οι μέχρι σήμερα έρευνες έχουν αποκαλύψει το νότιο και το ανατολικό σκέλος του τείχους και σημαντικά λείψανα κτιρίων για τη φρουρά, οικιών και αποθηκευτικών χώρων των κατοίκων. Ο οικισμός θα μπορούσε να ταυτιστεί με την αρχαία Θεσσαλική πόλη Μελίβοια ή ακόμη και με την Κενταυρούπολη, που αναφέρεται στο έργο του Προκοπίου, Περί Κτισμάτων IV 3 (έκδ. G. Dindorf, Βόννη 1838, 274.20-275.6). Η εκκλησία βρίσκεται στο ΝΑ τμήμα του οικισμού, κοντά στην μικρή πύλη του τείχους που ανοίγεται εκεί. Οι ανασκαφικές εργασίες, που διενεργούνται από τον Τομέα Αρχαιολογίας του Τμήματος ΙΑΚΑ, με υπεύθυνο τον επίκ. καθηγητή Γιάννη Βαραλή, και από την 7η ΕΒΑ, με υπεύθυνη την προϊσταμένη Σταυρούλα Σδρόλια, ξεκίνησαν το 2011, σύμφωνα με εγκεκριμένο από το Υπουργείο Πολιτισμού πενταετές πρόγραμμα συνεργασίας.
Η εκκλησία, ήταν αρχικά μια βασιλική με τρία κλίτη, αψίδα στα ανατολικά και νάρθηκα στα δυτικά (18,75 μ. μήκος και 11,40 μ. πλάτος, συνολικά). Τα κλίτη χωρίζονταν μεταξύ τους με κτιστούς πεσσούς και με κίονες. Το κεντρικό κλίτος ήταν μεγαλύτερο και πλατύτερο από δύο πλάγια και στα ανατολικά απέληγε σε αψίδα με μια παράξενη ορθογώνια προεξοχή, η οποία χωνευόταν μέσα στο πάχος του τείχους του οικισμού. Το ιερό βήμα διέθετε σύνθρονο και μαρμάρινη αγία τράπεζα, ενώ το φράγμα του πρεσβυτερίου ήταν ευθύγραμμο. Το κεντρικό κλίτος ήταν ψηλότερο από τα άλλα δύο και καλυπτόταν με δίρριχτη ξύλινη στέγη με κεραμίδια. Δίπλα στο νότιο στυλοβάτη βρέθηκε η κτιστή βάση του άμβωνα που είχε διπλή αντικριστή κλίμακα. Στο νότιο κλίτος, που διέθετε θύρα επικοινωνίας με τον χώρο πίσω από το τείχος, κατά μήκος του μακρού τοίχου είχε κατασκευαστεί κτιστό πεζούλι, που χρησίμευε για να κάθονται οι γεροντότεροι κατά τη διάρκεια της θείας λειτουργίας. Στα δυτικά του ναού υπήρχε ευρύχωρος νάρθηκας, που παρέλαβε όλες τις χρήσεις του αιθρίου, το οποίο και απουσίαζε. Ο νάρθηκας επικοινωνούσε με τα κλίτη με τρία ανοίγματα: το μεσαίο, που οδηγούσε στο κεντρικό κλίτος, ήταν και το πλατύτερο. Σε μεταγενέστερη φάση, η εκκλησία υπέστη ριζική μετατροπή. Ο ναός περιορίστηκε σε πλάτος, το κεντρικό κλίτος μετασκευάστηκε σε μονόχωρο ναό, καθώς αφαιρέθηκαν οι κίονες και κλείστηκαν με τοιχοποιία τα διαστήματα μεταξύ των πεσσών και των τοίχων. Τότε τα πλάγια κλίτη και ο νάρθηκας άλλαξαν χρήση – ίσως χρησίμευσαν ως χώροι διαμονής και ως αποθήκες με πιθάρια.
Η εκκλησία του Κάστρου της Βελίκας είναι πολύ σημαντική, γιατί είναι η πρώτη και η μόνη σε όλη την ακτή της Θεσσαλίας προς το Αιγαίο που αποκαλύπτεται συστηματικά τουλάχιστον την τελευταία πενηνταετία. Από τα μέχρι στιγμής ευρήματα, τα μαρμάρινα γλυπτά, τα νομίσματα, την κεραμεική και τα γυάλινα αντικείμενα, που αποκαλύπτονται σε θραύσματα, ο ναός φαίνεται ότι ιδρύθηκε στις τελευταίες δεκαετίες του 6ου αιώνα, μετακευάστηκε κατά τον 7ο αιώνα σε μονόχωρο ναό και εγκαταλείφθηκε και έπεσε σε ερείπια στους αμέσως επόμενους αιώνες.