Il patrono di Castelpetroso è san Martino Vescovo, festeggiato l'11 novembre. La chiesa parrocchiale a lui dedicata risale alla seconda metà del XIII secolo e subì influssi barocchi nel Seicento: ha pianta rettangolare a navata unica, con campanile turrito, e custodisce un mosaico raffigurante il santo, una tela probabilmente del Seicento e alcuni dipinti del maestro molisano Amedeo Trivisonno.
Il paese è però conosciuto soprattutto per la basilica santuario di Maria Santissima Addolorata, dedicata alla patrona del Molise. Secondo la testimonianza di due pastorelle di nome Serafina e Bibiana, la Vergine apparve loro per la prima volta il 22 marzo 1888 in località Cesa tra Santi, sulle pendici del Monte Patalecchia; a questa prima apparizione ne seguirono altre, e il fenomeno fu in seguito riconosciuto dalla Chiesa. Fra gli altri edifici religiosi del territorio si trova anche la chiesa della Madonna della Libera, nella frazione di Indiprete, che secondo la tradizione locale trae origine da un evento miracoloso legato a un quadro raffigurante la Madonna.
