Una antica tradizione dipinge San Catervo come il Santo al quale si attribuisce la propagazione del cristianesimo nell'area di Tolentino. Alla moglie di questi, Settimia Severina, si deve la realizzazione del sarcofago in cui il Santo fu sepolto, oggi ancora visibile, e di una cappella funeraria (Phanteum cum tricoro). In alcune pergamene dei secoli XI-XII l'abbazia viene menzionata per la prima volta come "cella" dedicata a Santa Maria e dipendente dalla abbazia di S. Salvatore Maggiore di Rieti. Nel XIII secolo la chiesa si presentava molto deteriorata e perciò fu ricostruita inglobando la cappella funeraria di San Catervo nella nuova costruzione, che all'interno presentava tre navate. Oggi restano perciò solo poche testimonianze del passato: il sarcofago; una lunetta del IX secolo rappresentante Gesù tra gli Arcangeli Michele e Gabriele ed i Santi Pietro e Paolo; un ambiente dell'antica cappella funeraria detto "carcere di San Catervo" con tracce di affreschi d'epoca romana e del secolo XIV. Nel XIX secolo la chiesa, eletta a cattedrale di Tolentino, fu completamente riedificata nelle forme neoclassiche odierne dall'architetto Filippo Spada, il quale cambiò anche l'orientamento della stessa, mantenendo sul fianco laterale il portale in pietra del XIII secolo.