La tradició ens diu que vers l'any 800 un membre de la família Cartellà va fer construir una ermita prop del mas Collell, que era de la seva propietat, en agraïment pel guariment del seu fill. De totes maneres, no trobem cap referència històrica documentada fins l'any 1198, en que Santa Maria del Collell era un priorat benedictí depenent de Sant Pere de Besalú.

A principis del segle XV els monjos van abandonar el monestir, deixant el culte en mans de sacerdots regulars. Entre 1432 i 1435 s'encarregà d'oferir els serveis litúrgics Bernat de Pau, que posteriorment va arribar a ser bisbe de Girona. Les destruccions causades per les guerres i els terratrèmols en aquest mateix segle, van provocar l'abandonament del temple, que es va fer servir per guardar-hi bestiar. Aquesta situació va indignar al bisbat, que va posar-la en interdicció, és a dir que no s'hi podien realitzar cap tipus de culte.

El capvespre del 25 d'octubre de 1483, Miquel Noguer, un habitant de Torn, després de fer les seves oracions davant la porta del temple, va escoltar els plors que semblaven venir de l'interior de l'església, malgrat que la porta estava tancada. En acostar-se els batents de la porta es van obrir i va aparèixer davant seu una nena de set o vuit anys, que anava vestida de blanc i que demanava misericòrdia pels pecats dels habitants de la zona. A més li va demanar a en Miquel Noguer que "els habitants de les parròquies del Torn, Mieres, Sallent i Sant Miquel de Campmajor esmenessin la seva conducta pagant els delmes i altres drets eclesiàstics, restituint dins del termini de trenta dies tot allò que haguessin adquirit injustament, i que guardessin els diumenges, i que s’abstinguessin de jurar i que complissin els pius llegats i fundacions dels seus avantpassats". A continuació li va demanar que es restituís la capella al culte i que s’hi celebressin romeries i processons els divendres anant-hi en dejú. També li va demanar, abans de desaparèixer, que comuniqués al bisbe de Girona o al seu vicari general el "celestial missatge”.

Aquesta aparició va provocar l'obertura al culte del temple, del que s'encarregaven un grup de preveres, presidits per un prior comandatari i un capella major fins a finals del segle XVIII.

En 1487 va rebre la protecció del Papa i sis anys més tard la de Ferran el Catòlic, que es creu que va visitar el santuari en 1496. A partir d'aquests dos fets va anar creixent el fervor i la devoció per la Mare de Déu del Collell, el que propicià l'augment de les dependències construïdes al voltant del santuari. En 1534 es té constància de l'existència d'una escolania.

La decadència del santuari es va iniciar en 1806, quan es van posar a subhasta les seves possessions. Això provocà que a partir de 1814 els capellans anessin abandonant el santuari per anar-se establint en les parròquies. Per sort aquesta etapa de foscor no va durar massa, ja que en 1852 el bisbe de Girona Florenci Llorente i Montón va fer construir un seminari menor diocesà.  Anys més tard, en 1876, es converteix part del seminari en un col·legi de segon ensenyament agregat a l’Institut Provincial de Girona. D'aquesta manera s'impartien classes de primària, batxillerat i comerç a banda dels estudis corresponents del seminari.

En 1914 s'aplega un nombre de fidels tant gran el dia de la festa de l’Aparició, que motivà la construcció d'un nou temple, al costat del santuari i que fou consagrat en 1949. 

Durant la Guerra Civil va ser ocupat el recinte, destruint les imatges dels altars, a excepció de la Mare de Déu, que es salvà de la destrucció. Les instal·lacions de l'escola van ser utilitzades com a caserna d'instrucció i com a presó dels presoners fets pels republicans.

El 30 de gener de 1939, segons relata la novel·la històrica Soldados de Salamina, foren executats 48 presoners, dels 1300 detinguts que hi havia en el Collell.

Acabada la Guerra, i malgrat haver estat executats 65 membres de la comunitat del Collell, entre professors, alumnes i eclesiàstics, es van tornar a posar en marxa les tasques educatives. Actualment és una casa de colònies, hostatgeria i lloc per a estades esportives.

El temple romànic va ser restaurat i modificat en el segle XV. La nau té capçalera plana i coberta apuntada, reforçada per arcs torals. A banda i banda s'obre diverses capelles, la majoria de les quals són d'època gòtica i posteriors a la construcció del temple.

En el segle XVII es va modificar el temple, com ho demostra la decoració de la porta, acabada en 1613. Adossada a l'antic nord de la primitiva església s'alça la torre campanar, de planta quadrada i amb grans finestrals apuntats en el darrer pis.

En la basílica moderna podem venerar la imatge de la Mare de Déu del Collell, una talla romànica de tipus bizantí i datada en  la segona meitat del segle XII.

Va ser restaurada a finals del segle XX, moment en que es van eliminar els nombrosos elements i vestidures afegides al llarg dels segles.