Non sono conservati resti della chiesa altomedievale. L'edificio, dipendente dalla pieve di Valdicastello, fu infatti ricostruito a
navata unica e probabilmente con
abside semicircolare agli inizi del 1100, in seguito allo sviluppo dell'abitato di Stazzema, dovuto allo sfruttamento delle numerose miniere della zona. Le tracce del paramento originario sono visibili solamente in facciata, in particolare nel
portale maggiore e nel
rosone centrale.
Nel corso del Quattrocento la chiesa venne ampliata con l'aggiunta di due navate minori e con l'apertura di due nuovi ingressi. Le murature laterali dell'edificio furono demolite e sostituite da due file di colonne.
Risale a questa fase la porta, datata al 1499, realizzata per collegare l'area presbiterale con la sacrestia.
Nel 1601 fu realizzato un loggiato presso la facciata, venne completamente ricostruita la parte absidale che assunse forma rettangolare e furono aperte le grandi finestre sul lato sud.
Agli anni che vanno dal 1740 e il 1749 risale infine la ricostruzione del campanile nelle forme attuali e l'apertura di due nuove finestre nell'abside.
La prima menzione della chiesa di Santa Maria di Stazzema nei documenti storici risale al IX secolo.