Lịch sử Đức Mẹ hiện ra và lập nhà thờ không rõ ràng vì đã quá lâu và không được biên chép từ thời đó, hầu hết chỉ có lời truyền khẩu và nhiều giả thuyết khác nhau. Có giả thuyết là nhà thờ La Vang vốn được xây trên nền của một mái chùa Phật giáo[4][5] hoặc là một miếu thờ Bà (có thể là Phật Bà Quan Âm hoặc bà chúa Liễu Hạnh) cho người đi rừng [6], nguyên là một mái nhà tranh dưới gốc cây đa và rào sơ bốn mặt, sau biến cố Mẹ Maria hiện ra năm 1798 được nhường cho giáo dân để xây một nơi tôn kính Mẹ Maria. Nhưng cũng có ý kiến khác cho rằng La Vang trước đó chỉ là một vùng hoang vắng, vùng rừng núi hẻo lánh.[3]

Theo Giám mục Hồ Ngọc Cẩn kể lại lời truyền khẩu là năm 1885 nhà thờ bị đốt, và một nhóm giáo dân La Vang dựng lại nhà thờ Đức Mẹ trên nền cũ. Linh mục quản hạt Quảng Trị Patinier Kinh trong báo cáo năm 1894 có viết: "Năm 1885 ngôi nhà thờ ở đây cũng như những nhà thờ khác trong hạt, không thoát khỏi thảm họa... Khi hòa bình vừa vãn hồi, con đã cấp tốc dựng lại ngôi nhà thờ nhỏ bé, tạm bợ để chờ nguồn kinh phí cũng như để chờ cho tình hình bớt nhiễu nhương". Năm 1886 (có bản ghi là năm 1894), Giám mục Caspar (Lộc) cho xây lại nơi đây đền thờ bằng ngói, vì xây trên một vùng núi vận chuyển vật liệu khó khăn nên 15 năm mới hoàn thành. Năm 1901, đại hội La Vang đầu tiên được tổ chức vào ngày 08 tháng 08 để mừng khánh thành nhà thờ.[3]

Năm 1924, nhận thấy ngôi nhà thờ ngói quá chật hẹp, lại đã xuống cấp cho nên một đền thánh La Vang theo đồ án của kiến trúc sư Carpentier được dựng lên thay thế và được khánh thành vào ngày 20 tháng 08 năm 1928, nhân dịp Đại hội La Vang 9. Thánh đường này được trùng tu năm 1959. Trong phiên họp ngày 13 tháng 04 năm 1961, Hội đồng Giám mục Việt Nam (Miền Nam) đã đồng thanh quyết định La Vang là Trung tâm Thánh Mẫu Toàn quốc. Trong chiến cuộc Mùa Hè 1972, bom đạn đã làm sập đổ hoàn toàn Vương cung thánh đường, chỉ còn lại di tích tháp chuông loang lổ. Từ năm 1995, tháp chuông và những công trình liên hệ như Nhà nguyện Đức Mẹ (một mái nhà tôn sau tháp cổ), Nhà nguyện Thánh Thể (xây từ năm 2002), Công trường Mân Côi, Lễ đài, Nhà hành hương (xây từ năm 2004), 3 cây đa (nơi Đức Mẹ hiện ra)... được tu sửa hay dựng mới.

Năm 2008, Thánh địa được chính quyền tỉnh Quảng Trị cấp thêm 21 ha đất để phục vụ hoạt động tín ngưỡng của giáo dân. Theo linh mục Giacôbê Lê Sĩ Hiền (quản nhiệm Trung tâm Thánh mẫu La Vang), đây là đất xưa từng thuộc về nhà thờ (trước 1975 là 23 ha) nay được giao trả lại.[7].

Ngày 15 tháng 8 năm 2012 đã diễn ra lễ đặt viên đá đầu tiên xây dựng Vương cung Thánh đường mới[8]. Ngôi thánh đường đang trong quá trình xây dựng, được thiết kế theo phong cách kiến trúc Á Đông truyền thống Việt Nam, có sức chứa 5.000 người[9]