L’église de style romano-byzantin que nous connaissons aujourd’hui est l’oeuvre de l’architecte Henri Revoil et date de 1853, mais ses origines sont beaucoup plus anciennes puisque l’église primitive dédiée à la Vierge, semble avoir existé dès le IVe siècle, à côté d’un théâtre antique, mis au jour en 2004. Cela fait d’elle la plus ancienne église de la ville. Elle aurait abrité les reliques de Saint Mitre qui ont rejoint, en 1383, la cathédrale Saint-Sauveur. Détruite durant les invasions précédant le Xe siècle puis reconstruite, elle est élevée au rang de cathédrale et connaît alors son apogée, à partir du XIe siècle avant de tomber en désuétude avec le déplacement progressif du centre de la ville vers le bourg Saint-Sauveur. Il s’agit donc du plus ancien édifice chrétien d’Aix-en-Provence dont on a dit lors d’une cérémonie en 1857 que « Son histoire est la partie la plus précieuse et la plus intime de l’histoire de notre ville ». Le culte marial qui y est rendu explique la présence d’une émouvante statue de la Vierge couronnée, allaitant l’enfant Jésus, et celle d’ex-voto recouvrant entièrement le sol de l’église et qui forment une frise historique des épidémies, qui se sont abattues sur la ville au XIXe siècle, notamment de choléra.