Tradicionalment hom situa l'origen del santuari en una ermita fundada cap l'any 800 per un membre dels Cartellà. Però de fet, documentalment només sabem que l’any 1198 el lloc de Santa Maria del Collel era un priorat benedictí que depenia de Sant Pere de Besalú (Garrotxa), gaudint de la protecció dels Cartellà, que dotaren amb propietats aquest lloc.
El 1406 els monjos benedictins marxaren, deixant el culte a mans de sacerdots regulars. A la segona meitat d'aquell segle el lloc restà abandonat a causa dels terratrèmols i va caure en decadència. Arran de l'aparició de la Mare de Déu a un pagès (1483), va començar una nova època d'esplendor, tornant a obrir l'església, de la que s'encarregà una comunitat de preveres, presidida per un prior comendatari, des del 1485 fins a final del segle XVIII.
A més del fervor popular, el lloc va gaudir de protecció reial i pontifícia el que propicià que fos ampliat. El santuari inicià la seva davallada el 1836 del que es va refer en instal·lar-hi un seminari. Entre el 1912 i 1949 es va aixecar un nou santuari, consagrat el 1952. Durant la guerra civil (1936-36) el lloc es va convertir en presó.
- FERNÁNDEZ I CUADRENCH, Jordi (1990). Santa Maria del Collell. Catalunya romànica. Vol. IV. La Garrotxa. Barcelona: Enciclopèdia Catalana
- GAVÍN, Josep M. (1978). Inventari d'esglésies. Vol. 4. Garrotxa, Ripollès. Gtxa. 64. Barcelona: Artestudi
- MONSALVATGE Y FOSSAS, Francesc (1908). Nomenclator histórico de las iglesias... Noticias históricas. Vol. XVI. Olot: J. Bonet
- RASET, Miquel (1913). Santa María del Collell. Barcelona: Tipografía Católica
- TERRICABRIS I MEROLES, Francesc (1890). Nostra Senyora del Collell. Breu monografía de tan memorable santuari. Olot: J. Bonet