Ο ναός της Παναγίας της Τήνου κτίστηκε σε σημείο όπου βρέθηκε εικόνα της Παναγίας, κατά τη θρησκευτική παράδοση μετά από σχετικά οράματα της μοναχής Αγίας Πελαγίας. Η εικόνα ανακαλύφθηκε μετά από ανασκαφές στις 30 Ιανουαρίου 1823 και ενώ προηγήθηκαν ανασκαφές το 1822 που αποκάλυψαν τον αρχαίο ναό του Διονύσου και ο ναός του Αγίου Ιωάννου του Προδρόμου. Η είδηση της εύρεσης της εικόνας, κατά την περίοδο της ελληνικής επανάστασης του 1821 θεωρήθηκε καλός οιωνός και το νησί επισκέφτηκαν για αυτό το λόγο οι Κολοκοτρώνης, Μιαούλης, Νικηταράς και Μακρυγιάννης, για να προσκυνήσουν.
Μετά την εύρεση της εικόνας ακολούθησε η οικοδόμηση της εκκλησίας. Απαιτήθηκαν μεγάλες ποσότητες μαρμάρων, οι οποίες κατά κύριο λόγο μεταφέρθηκαν από τον αρχαιολογικό χώρο της γειτονικής Δήλου. Απαιτούνταν επίσης και μεγάλος αριθμός εργατών επεξεργασίας και τοποθέτησης μαρμάρων, αλλά κυρίως πολλά χρήματα η έλλειψη των οποίων έφερνε πολλές φορές σε αμηχανία τους επιστάτες του έργου που δυσκολεύονταν να πληρώσουν στο τέλος της εβδομάδας, εργαζόμενους και υλικά. Η ολοκλήρωση του έργου οφείλεται στη σημαντική συνδρομή, σε εργασία και χρήμα, τόσο του τηνιακού λαού, όσο και χριστιανών από την Ελλάδα και το εξωτερικό. Μέχρι τα μέσα του 1832 είχε ανεγερθεί η ανατολική πτέρυγα του συγκροτήματος, το τμήμα ανατολικά του καμπαναριού και το τμήμα ανατολικά της κεντρικής εισόδου. Το σύνολο των εργασιών ανέγερσης ολοκληρώθηκε το 1880.