La première mention d'une chapelle dédiée à la Vierge apparaît en 1137, mais c'est en 1214 que le vocable Sainte-Marie de Marceille est attesté pour la première fois. Cette église dépendait de l'abbaye de Saint-Hilaire puis directement de l'archevêque de Narbonne à partir de 1260. Elle fut unie au collège parisien de Narbonne en 1344 et il semblerait que la reconstruction de l'église corresponde à cette période. Dès 1380, elle est une église de pèlerinage reconnue. En 1659, un séminaire de lazaristes est installé autour de l'église et des bâtiments furent construits au sud de l'église. En 1674, la direction spirituelle est confiée aux Pères Doctrinaires qui transformèrent l'église. En 1783, l'église, couverte par une charpente apparente fut voûtée par l'italien Bernard Rippa. En 1873, le pèlerinage fut confié aux missionnaires de Saint-Vincent de Paul puis elle fut desservie par des prêtres diocésains.

Notre-Dame de Marceille a été érigée au rang de basilique mineure en 1905.