Le prime notizie di una cappella votiva risalgono al IX secolo.
L'edificio è stato ampliato e modificato più volte nel corso dei secoli.
L'assetto attuale della chiesa è il risultato dei lavori di ristrutturazione e di abbellimento iniziati nella metà dell'Ottocento da mons. Vincenzo Pilonet e portati a compimento da mons. Alessandro Fullini, nobile polcenighese, finanziati principalmente dal conte agordino Luigi De Manzoni.[2] A coordinare i lavori fu l'architetto feltrino Giuseppe Segusini; le varie opere decorative furono realizzate da importanti artisti dell'epoca, quali il pittore Giovanni De Min e gli scultori Marco Casagrande, Luigi Ferrari e Valentino Panciera.[3]
^ S. Miotto, L'ultimo dei Fullini. Profilo biografico del canonico patriota Alessandro (1815-1881), in I Fullini: dall'Alpago al feudo di Polcenigo, da mercanti a conti.
^Per celebrare i principali fautori di tali abbellimenti, nel 1852 Luigi Ferrari scolpì un busto marmoreo del finanziatore, Luigi De Manzoni (collocato nella navata laterale della chiesa di Agordo, sopra la porta della sagrestia), e nel 1853 Marco Casagrande realizzò un busto in gesso del promotore dei lavori, mons. Alessandro Fullini (l'opera originale è oggi conservata al Museo del Cenedese di Vittorio Veneto, mentre una copia più recente in marmo si trova in una nicchia all'interno della chiesa agordina, sopra la porta d'ingresso alla cappella di Nostra Signora); mons. Fullini fu inoltre ritratto da Giuseppe Segusini nel 1850, in una tela oggi conservata nella chiesa parrocchiale di La Valle Agordina, in cui il prelato è rappresentato con in mano il progetto dei lavori della chiesa arcidiaconale.