전승에 따르면, 성모 마리아가 예루살렘에 생존해 있을 당시 사도 야고보에게 에브로 강가의 기둥(Pilar) 위에 나타나 복음 전파를 격려하고 작은 예배당 건축을 요청했다고 한다. 이것이 필라르 성모 신앙의 기원으로 여겨진다.

이슬람 지배 하의 사라고사(당시 사르쿠스타)에 성모 마리아에게 봉헌된 모사라베 양식의 교회가 존재했다는 최초의 문서 기록이 확인된다. 이 교회는 현재 대성당과 같은 위치에 있었던 것으로 추정된다.

아라곤 왕국의 알폰소 1세가 사라고사를 재정복한 후, 기존 모사라베 교회 자리에 로마네스크 양식의 교회가 건축되기 시작하여 13세기에 완공되었다. 이 시기부터 '산타 마리아 델 필라르'라는 명칭이 공식적으로 사용되기 시작했다.

기존 로마네스크 양식 건물이 노후화되자, 1293년부터 고딕-무데하르 양식으로 새롭게 교회가 증개축되었다. 이 공사는 1515년에 이르러서야 마무리되었으며, 현재 대성당의 주 제단화(다미안 포르멘트 작)와 르네상스 양식의 성가대석이 이 시기에 제작된 것이다.

현재 우리가 보는 바로크 양식의 대성당 건축은 1670년 아라곤 부왕이었던 후안 호세 데 아우스트리아의 제안으로 시작되어, 1681년 첫 삽을 떴다. 펠리페 부시냑과 펠리페 산체스, 프란시스코 에레라 엘 모소 등의 건축가가 참여했으며, 1730년경에는 길이 130m, 너비 67m에 이르는 현재의 기본 구조와 규모를 갖추게 되었다.

건축가 벤투라 로드리게스의 설계에 따라 바로크-로코코-신고전주의 양식이 혼합된 화려한 산타 카피야가 새롭게 조성되었다. 이곳은 성모 기둥과 성모상을 모신 대성당의 핵심 공간이다.

대성당 중앙 네이브(Nave) 위에 위치한 주요 돔들이 이 시기에 완성되어 대성당의 스카이라인을 형성하는 데 기여했다.

대성당의 네 모퉁이에 위치한 98m 높이의 타워들이 20세기에 걸쳐 순차적으로 건축되었다. 첫 번째 타워(남서쪽)는 1907년에, 나머지 세 타워는 1950년부터 1961년 사이에 완공되어 현재의 웅장한 외관을 갖추게 되었다.

스페인 국가 문화재(Bien de Interés Cultural)로 지정되었다.

스페인 내전 중 공화파 공군 소속 폭격기가 대성당에 4발의 폭탄을 투하했으나, 성당 내부에 떨어진 2발을 포함하여 모두 불발되었다. 이는 필라르 성모의 기적으로 여겨지며, 불발탄 2개는 현재 성당 내부에 전시되어 있다.

교황 비오 12세에 의해 준대성전(바실리카 마이너)의 지위를 공식적으로 부여받았다.