La chiesa venne eretta, con il nome di Santa Maria Madre di Dio, a partire dal 639 su ordine dell'Esarca di Ravenna Isacio per dare una nuova sede alla cattedra episcopale di Altino. Appena l'anno precedente, infatti, proprio nella città di Turricellum aveva dovuto trovare rifugio dall'invasione dei Longobardi il vescovo Paolo, trasportando con sé il tesoro e le reliquie della diocesi.

Il nuovo centro urbano divenne in breve uno dei più ricchi e prosperi dell'antico Ducato di Venezia e la cattedrale venne ampliata una prima volta nell'826. Nel 1008 la chiesa venne riedificata e riconsacrata a Santa Maria Assunta, per desiderio del neo-insediato vescovo Orso I Orseolo, figlio del Doge Pietro II Orseolo.

La città cadde in rovina durante il XV secolo, trasformando l'isola di Torcello in un luogo solitario e semi-abbandonato. La chiesa di Santa Maria Assunta continuò a mantenne la cattedra episcopale sino all'anno 1818, quando, con la soppressione della diocesi di Torcello, divenne semplice parrocchiale, sottoposta al Patriarcato di Venezia.

La giurisdizione della parrocchia comprendeva anche le località di San Giovanni, Motte, San Piereto, Sant'Antonio, Santa Cristina, le Saline (località e isole nelle immediate vicinanze di Torcello), Lio Maggiore (attualmente in comune di Jesolo), Lio Piccolo e Mesole (attualmente in comune di Cavallino-Treporti). Nel 1986 anche questa istituzione è stata soppressa e l'antica cattedrale è ora una basilica-santuario ricompresa nella parrocchia di Burano[1].

La basilica è stata restaurata nel 1894.

 La piazza di Torcello con la chiesa di Santa Fosca e, sullo sfondo, la basilica.