Po starodavnem napisu jo je ustanovil eksarh Izak iz Ravene leta 639, ko je bil Torcello še vedno tekmec mlade bližnje naselbine v Benetkah.

Izvirna cerkev je verjetno imela glavno in stranski ladji in eno apsido na vzhodni steni stolnice. Težko je povedati, kakšna je bila izvirna cerkev, ker je zelo malo ohranjenega zaradi nadaljnje prenove. Velik del tlorisa prvotne cerkve je ohranjen, saj je sedanja oblika zelo podobna prvotni. Edini fizični deli, ki so ohranjeni, so osrednja apsidna stena in del krstilnice kot del fasade sedanje cerkve.

Prva od dveh večjih obnovitev se je zgodila leta 864 pod vodstvom škofa Adeodat II.. [1]. Pri tej prenovi sta bili zgrajeni obe stranski ladji, kot sta današnji. Zgrajen je bil sintronon (katedra – škofov prestol), ki je napolnil osrednjo apsido in kripta postavljena pod njo. Po drugi in zadnji večji prenovi zdi, da je stolnica zelo podobna trenutnemu oblikovanju.

Končno obnovo je leta 1008 posvetil škof Orso Orseolo, katerega oče Pietro Orseolo II. je bil v tistem času dož v Benetkah. S to prenovo je Orseolo dvignil ladjo, dodal okna na zahodni steni in ustvaril arkade, ki potekajo med ladjami in pomagajo pri podpori svetlobnega nadstropja.