A ocupação do local tem origem num mosteiro pré-românico, fundado por Mumadona Dias em 949. Para a proteção deste mosteiro foi erguida uma fortificação que antecedeu o atual Castelo de Guimarães. No início do século XII, este mosteiro daria lugar à Colegiada de Santa Maria de Guimarães, uma das mais importantes e ricas instituições religiosas do país na Baixa Idade Média.
Da construção original românica restam poucas peças materiais, e a documentação é insuficiente para a sua compreensão. Conserva-se uma quadra do claustro do século XII, embora bastante modificada durante o período Manuelino, onde são visíveis alguns capitéis, e a frontaria da sala do capítulo. Um capitel românico, datado da segunda metade do século XII e proveniente do portal principal da igreja [nota 1], revela uma iconografia tipicamente beneditina, alusiva ao confronto entre o bem e o mal.
Durante o século XIV a Colegiada tornou-se um importante centro de peregrinação em função da veneração da imagem de Santa Maria, a mesma que seria objeto de devoção por parte de João I de Portugal na véspera da batalha de Aljubarrota. Em 1387, como cumprimento de um voto a Santa Maria, o próprio soberano financia a remodelação do edifício. As obras estariam concluídas na sua quase totalidade em 1401, tendo cessado os trabalhos em 1413.
Encontra-se classificada como Monumento Nacional desde 1910. A igreja possui uma estrutura planimétrica simples de três naves com três tramos, com transepto saliente, solução comum no gótico mendicante. A ruptura é dada por outros elementos. A janela do nível superior da fachada, de grandes dimensões, e organizada como um retábulo, constitui um dos melhores programas iconográficos góticos em Portugal. É integralmente dedicado à genealogia da Virgem, composta por uma Árvore de Jessé e a Anunciação da mensagem mariana. Da época gótica é ainda visível parte das asnas da cobertura das naves, decoradas com painés de pinturas com iconografia heráldica e bestiária.