El patrón de Castelpetroso es san Martín de Tours, festejado el 11 de noviembre. La iglesia parroquial a él dedicada data de la segunda mitad del siglo XIII y recibió influencias barrocas en el siglo XVII: tiene planta rectangular de nave única, con campanario a modo de torre, y conserva un mosaico que representa al santo, un lienzo probablemente del siglo XVII y varias obras del maestro molisano Amedeo Trivisonno.
El pueblo, sin embargo, es conocido sobre todo por la basílica santuario de María Santísima Dolorosa, dedicada a la patrona del Molise. Según el testimonio de dos pastorcillas llamadas Serafina y Bibiana, la Virgen se les apareció por primera vez el 22 de marzo de 1888 en el paraje de Cesa tra Santi, en las laderas del Monte Patalecchia; a esta primera aparición siguieron otras, y el fenómeno fue posteriormente reconocido por la Iglesia. Entre los demás edificios religiosos del territorio se encuentra también la iglesia de la Madonna della Libera, en la aldea de Indiprete, que según la tradición local tiene su origen en un hecho milagroso ligado a un cuadro que representa a la Virgen.
