L'origine della chiesa risulta legata ad un'antica immagine mariana, profondamente venerata nei periodi di pestilenza. Essa era comparsa miracolosamente nel portico della patrizia Galla, dove offriva ospitalità a malati e bisognosi.

In questo luogo venne edificata la chiesa di S. Maria in Portico, officiata dalla congregazione dei Chierici Regolari della Madre di Dio. Il fitto dedalo di vicoli che la circondavano ed il grande numero di pellegrini richiamati nei periodi di pestilenza rendevano il luogo pericoloso per la salute pubblica.

Nel 1618 il cardinale Mellini, vicario di Paolo V, concede alla congregazione anche la piccola chiesa di S. Maria in Campitelli, allora situata presso le case dei Serlupi (poi diventato palazzo Caetani Lovatelli). Questi decidono la ricostruzione ex novo della chiesa con un convento, nell'attuale area di piazza Campitelli.

I lavori cominciano nel 1619 dopo aver demolito le case dei Della Riccia e degli Albertoni, famiglia della beata Ludovica, e si protraggono fino al 1648. Ben presto però anche la nuova chiesa si dimostra inadatta per le esigenze di culto e nuovi lavori di ingrandimento risultano inutili.

La nuova pestilenza che scoppia nel 1656 convinse il papa Alessandro VII ed i conservatori di Roma a prometterne la ricostruzione in forme più ampie e maestose. Il 14 gennaio 1662, cesata ormai la peste, il pontefice autorizza la traslazione dell'immagine nella chiesa di S. Maria in Campitelli che avviene con grandi festeggiamenti mentre affida a Carlo Rainaldi il progetto del nuovo tempio.

Dopo che il Rainaldi aveva proposto un progetto a pianta ellittica, la congregazione dei Chierici decide di affiancare nei lavori il loro consulente, l'architetto Giovanni Antonio De Rossi. Infatti la soluzione del Rainaldi non era ritenuta adatta alle nuove esigenze culturali e politiche della controriforma.

Il De Rossi trasforma la centrale forma ellittica in una soluzione basilicale ad un'unica navata. Il raddrizzamento delle curve, abbinato al corpo arretrato della cupola, spostano il punto focale dal centro verso il fondo della costruzione. Qui una spettacolare e scenografica macchina barocca ospita la sacra tavoletta della Madonna.

Nel 1667 la chiesa viene aperta al pubblico nonostante era terminata la sola facciata. La consacrazione ufficiale avviene soltanto nel 1728.