Die Kirche Santa María wurde im 11. Jahrhundert erstmals erwähnt und war der Kirche San Pedro untergeordnet, die wiederum beide dem Kloster Montearagón in Huesca unterstellt waren. Die Kirche von Olite wurde Montearagón im Jahr 1093 vom Monarchen von Pamplona und Aragon, Sancho Ramírez, geschenkt. Diese Abhängigkeit wurde gemeinsam mit der Diözese Pamplona bis 1851, dem Datum des Konkordats zwischen dem Staat und dem Vatikan, aufrechterhalten.
Zu Beginn des 15. Jahrhunderts gewann Santa María allmählich an Bedeutung, erhielt einen eigenen Vikar und wurde zur Pfarrkirche ernannt. Bis 1851 bildeten die beiden Kirchen ein einziges Domkapitel, ehe sie zu zwei getrennten Pfarreien wurden.
Die an den Königspalast angeschlossene Kirche wurde von den Monarchen von Navarra für große Feste und feierliche Anlässe genutzt. Hier wurden Königshöfe, Taufen, Hochzeiten und königliche Totenwachen abgehalten. Die Monarchen von Navarra der Evreux-Dynastie, Karl II. und Karl III., begünstigten die Kirche mit Schenkungen, errichteten Altäre und gründeten Kaplaneien und Bruderschaften, und Königin Doña Blanca ließ im Jahr 1432 den Kreuzgang errichten.
Die Arbeiten an der heutigen Kirche begannen Mitte des 13. Jahrhunderts mit der Apsis im aufkommenden gotischen Stil mit zisterziensischen Einflüssen und wurden mit der Fassade fortgesetzt, die um 1330 in der Hochzeit der Gotik fertiggestellt wurde. Der Einfluss der französischen Gotik ist in der Architektur und den Skulpturen des Portals deutlich zu erkennen.
Zwischen 1767 und 1773 wurde die Kirche um die Christuskapelle erweitert, die heute als Sakristei dient.
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