Năm 1792, John Carroll - Giám mục giáo phận Baltimore và cũng là Giám mục Công giáo tiên khởi của Hoa Kỳ - đã tận hiến đất nước Hoa Kỳ (lúc đó mới được thành lập) dưới sự bảo vệ của Maria, với danh hiệu Đức Mẹ Vô Nhiễm Nguyên Tội. Năm 1847, Công đồng Baltimore lần thứ bảy nhắc lại việc tận hiến này và công nhận Maria Vô Nhiễm Nguyên Tội là quan thầy chính của đất nước vào ngày 2 tháng 7 năm 1847 (tín điều này được Giáo hoàng Piô IX tuyên bố vào ngày 7 tháng 2 cùng năm). Trong những năm tiếp theo, các linh mục đã nghĩ đến việc xây dựng một ngôi đền để tôn kính vị quan thầy của đất nước. Đặc biệt có Giám mục Thomas Joseph Shahan - hiệu trưởng thứ tư của Đại học Công giáo Hoa Kỳ ở Washington, ông đã đề xuất việc này với Giáo hoàng Piô X vào ngày 15 tháng 8 năm 1913 và nhận được sự ủng hộ nhiệt tình của Giáo hoàng, và Giáo hoàng đóng góp $400 với tư cách cá nhân. Shahan trở về Hoa Kỳ và thuyết phục được Hội đồng quản trị của Đại học Công giáo Hoa Kỳ hiến tặng khu đất ở góc phía tây nam của khuôn viên cho việc xây dựng nhà thờ.

Vào tháng Giêng năm 1914, Shahan xuất bản bản tin Salve Regina (Lạy Nữ Vương) số đầu tiên với ý định kêu gọi giáo dân hưởng ứng dự án của ông. Bản tin đã được phát cho các giáo phận trong cả nước và việc quyên góp tài chính bắt đầu đổ về Washington. Năm 1915, linh mục Bernard McKenna của Philadelphia được Giám mục Shahan bổ nhiệm làm giám đốc đầu tiên của đền thánh, đưa ước nguyện của vị Giám mục đếm gần hơn với thực tế. Giám mục Shahan giám sát việc xây dựng đền thánh cho đến khi ông qua đời vào ngày 9 tháng 3 năm 1932. Ông là người duy nhất được an táng trong ngôi đền thánh này.

Năm 1919, Giám mục Shahan lựa chọn bản vẽ kiến trúc và việc thi công xây dựng bởi McKenna do công ty Maginnis & Walsh của Boston thầu. Lúc đầu, bản vẽ thiết kế theo phong cách Kiến trúc Gothic nhưng Giám mục Shahan muốn đền thánh này được nguy nga và tráng lệ nên chọn phong cách Byzantine - Roman[7], hao hao giống như Nhà thờ Hagia Sophia. Hồng y James Gibbons - Tổng Giám mục của Baltimore đã làm phép viên đá đầu tiên vào ngày 23 tháng 9 năm 1920. Hơn 10.000 người tham dự Thánh Lễ này, trong đó có các đại sứ nước ngoài, quan chức chính phủ Hoa Kỳ, sĩ quan quân đội, và các chức sắc khác. Vào năm 1929, Đại khủng hoảng khiến việc xây dựng tạm dừng. Rồi đến việc Hoa Kỳ tham chiến trong Chiến tranh thế giới thứ hai cũng khiến dự án bị trì hoãn cho đến tận năm 1953 thì kinh phí mới được nối lại. Vào ngày 20 tháng 11 năm 1959, hàng ngàn giáo dân tụ tập với các Giám mục của họ để cung hiến Nhà thờ Thượng.

Vào tháng 8 năm 2006, công trình hoàn thành một bức tranh khảm trên Mái vòm Cứu Thế trong Nhà thờ Thượng. Đây là công việc đầu tiên được thực hiện lại sau trong nhiều năm và là một phần của bản gốc phương án thiết kế kiến trúc. Sau khi hoàn thành vào mùa hè năm 2007, Mái vòm Nhập Thể đã được làm phép ngày 17 tháng 11 năm 2007.[8] Cũng trong năm 2006, một nhà nguyện tôn kính Đức Mẹ La Vang của Việt Nam cũng được hoàn thành.[9]

Năm 2008, trong chuyến viếng thăm mục vụ đến Hoa Kỳ, Giáo hoàng Biển Đức XVI đã tặng Bông Hồng Vàng - vật phẩm cao quý của giáo hội - cho Vương cung thánh đường Đền thánh Quốc gia Đức Mẹ Vô Nhiễm Nguyên Tội.[10]