La chiesa venne costruita per disposizione di Federico da Montefeltro dopo la sua morte, a partire dal 1482 al 1491 circa, come luogo per la sua sepoltura e per quella dei suoi successori (Mausoleo Ducale). Il progetto e la successiva realizzazione dell'opera vengono oggi attribuiti all'architetto ducale Francesco di Giorgio Martini (con l'aiuto nella direzione dei lavori del giovane e promettente Donato Bramante). L'edificio presenta una limpida nitidezza architettonica, tipica del Rinascimento urbinate.

La chiesa fece da modello per la chiesa di Santa Maria delle Grazie al Calcinaio, nei pressi di Cortona, edificata dallo stesso architetto pochi anni più tardi. Nel 1741 venne danneggiata da un terremoto.