Las primeras noticias fidedignas que encontramos sobre el templo de Santa Maria de Vilafranca datan del año 1187, cuando aparece citada en el testamento de Pere de Vilafranca. Algunos estudiosos creen que la iglesia de Santa Maria fuera de Muralla, que se menciona en el acta de consagración de Sant Miquel de Olèrdola del año 992, podría ser este templo.

En 1188 el rey Alfonso I donó a la iglesia de Vilafranca el derecho de las notarías de la villa y de todo su término. Esto y el hecho que Vilafranca se convirtió en alojamiento real, cuando los monarcas estaban de paso por el Penedès, hizo que el poder de la villa y de su iglesia aumentaran considerablemente. Esto desencadenó en la construcción de un nuevo templo, más adecuado al nuevo estatus de Vilafranca. La primera piedra se colocó en el mes de mayo de 1285. Las obras de construcción se prolongaron hasta el año 1484, momento en que fue consagrada.

Se trata del primer edificio parroquial construido íntegramente en estilo gótico de Cataluña. Está formada por una amplía nave, dividida en cinco tramos y acabada en un ábside poligonal, siguiendo el esquema habitual del gótico catalán.

Los nervios de las bóvedas de crucería descansan en columnas adosadas a los grandes contrafuertes de los muros laterales. El espacio existente entre los contrafuertes se aprovechó para construir capillas laterales, cubiertas con bóvedas de cañón apuntadas e iluminadas por grandes ventanales. Sus vitrales son de mediados del siglo XX, debido a que los originales se perdieron el año 1934 en un incendio.

Su fachada actual es de estilo neogótico y fue construida el año 1905 , sustituyendo a una galería porticada renacentista. También se construyeron las dos torres que la flanquean y se agrandó el rosetón que la preside.

Hasta aquel momento la entrada principal era la que está situada ante la actual calle de Santa Maria. Antiguamente era conocida como puerta de los curas.

Es del siglo XIII y muestra la transición entre el románico y el gótico. Sus formas, con arquivoltas de medio punto, todavía nos recuerdan la construcción románica, pero la delicadeza de sus trazos y su decoración son claramente góticos. En algunos puntos, si bien muy detoriodada, todavía se conserva la policromía original.

Bajo el presbiterio se construyó el año 1561 una cripta para acoger el Santísimo Sacramento, pero desde el año 1700 acoge las reliquias de Sant Fèlix, patrón de la ciudad. El actual altar de Sant Fèlix y el grupo escultórico del Entierro de Cristo son obra del escultor Josep Limona y fueron donados por el obispo Torras i Bages.

También se añadió a la obra original la torre campanario, situada junto a la cabecera y que es una obra del siglo XIX.

En 1920, el papa Benedicto XV le otorgó la categoría de Basílica Menor.