Au XIIe siècle, Montbrison occupe la rive gauche de la rivière Vizézy.

Le château des comtes de Forez se trouve au sommet de la butte volcanique. Il n'a été détruit qu'au moment des troubles de la Ligue, en 1595, par le duc de La Guiche.

De l'autre côté de la rivière à un peu plus d'un kilomètre, au sud, se trouve la ville de Moingt, ancienne station thermale romaine, où les comtes de Forez avaient un château, à côté de l'église Saint-Julien, dont il ne reste plus que des pans de murs.

L'histoire de la collégiale commence quand le comte de Forez Guy IV décida d'édifier une collégiale dédiée à la Vierge. Il choisit comme implantation de la nouvelle église, la rive droite de la Vizézy. Les maisons canoniales vont s'élever rapidement autour de la future église et près de l'Hôtel-Dieu des pauvres malades qui avait été transféré dans ce lieu quelques années plus tôt.

Les travaux sont commencés en 1212. En 1223, le comte décida de faire rédiger par écrit dans son château de Moingt l'acte de fondation et le notifia solennellement le 15 juillet devant l'église Saint-Julien d'Antioche en présence de son oncle, Renaud de Forez, archevêque de Lyon.

Le 23 novembre 1226, la construction du chœur étant suffisamment avancée pour permettre d'y célébrer les offices canoniaux, le comte fit poser par son jeune fils, le futur Guy V, la pierre d'honneur de l'église au fond de l'abside, sous la fenêtre d'axe.

Après la construction du chœur, la travée de la nef qui suit est construite à la fin du XIIIe siècle ou au début du XIVe siècle. Cette nouvelle phase de construction se remarque par le changement de l'élévation et de la largeur du vaisseau central par rapport au chœur. Les deux suivantes sont construites dans la première moitié du xive siècle, la troisième à la fin. On trouve sur deux chapiteaux les armes de Louis II de Bourbon et Anne Dauphine datant de 1396. Les deux travées situées à l'ouest ont été édifiées au commencement du XVe siècle en suivant le même plan.

Le portail de la collégiale est entrepris par Charles Ier de Bourbon et de la duchesse Agnès de Bourgogne et achevé en 1459. Les travaux de la façade occidentale sont terminés en 1466 par Jean II de Bourbon.

Les huit chapelles latérales ont été ajoutées entre 1480 et 1516. Les deux chapelles construites sur le collatéral nord ont été construites par Florimond Robertet, ministre des rois Charles VIII, Louis XII et François Ier et Jacques Robertet, évêque d'Albi et fils de Jean Robertet. Côté sud, la chapelle des Parins a été bâtie en 1491 par Mathieu de Bourbon. Deux chapelles ont été réunies pour former la chapelle de la Vierge. On trouve dans l'ancienne chapelle Sainte-Catherine, aujourd'hui Saint-André, fondée par le chanoine Clément Rosset, une peinture murale représentant sainte Catherine d'Alexandrie avec le chanoine à ses pieds. La porte sud a été ouverte dans cette chapelle en 1844.

Sur le côté nord de l'église a été ajouté au commencement du XIVe siècle un petit porche. Le tympan est moderne.

Pendant la Révolution, la collégiale a été un temple de la Raison. L'église a été saccagée en 1793 par les troupes commandées par Claude Javogues quand elle y ont été logées.

L'église fait l’objet d’un classement au titre des monuments historiques par la liste de 18401.

Trois des vitraux de l'abside ont été posés en 1846 par l'abbé Crozet, curé et archiprêtre de Notre-Dame, dans le cadre du chantier de restauration de l'église dirigé par Pierre Bossan, secondé notamment par le sculpteur Guillaume Bonnet. lls ont été réalisés par le peintre-verrier de Metz, Charles-Laurent Maréchal. La quatrième verrière, la plus au nord, a été posée en 1904 par l'abbé Bosse, curé de la paroisse. Elle a été réalisée par Lucien Bégule, peintre-verrier de Lyon. Les verrières hautes de l'abside ont été réalisées par le peintre-verrier Laurent Gsell, vers 1888.