La chiesa sorge nella parte alta della collina in un’incantevole posizione. Sul luogo della chiesa attuale esisteva una chiesetta costruita dai monaci camaldolesi nel XI secolo e dedicata a San Basilio. La chiesetta venne danneggiata nel corso del Sacco di Cortona del 1258 e ricostruita nel 1288 da Santa Margherita fu dedicata oltre che a San Basilio, a Sant’Egidio monaco ed a Santa Caterina d’Alessandria. Santa Margherita, in una stanza a retro di tale chiesetta visse gli ultimi anni della sua vita e vi morì nel 1297. Fu sepolta nella chiesetta di San Basilio. Subito dopo la morte di Margherita i cortonesi, a fianco della chiesetta, costruirono una chiesa più grande su disegno di Giovanni Pisano e nel 1330 vi traslarono il corpo della Santa. Del trecentesco edificio rimangono solo il rosone in facciata, il campanile e le mura esterne del coro. Per tutto il Trecento la chiesa continuò ad essere abbellita con importanti affreschi. Di questo ciclo murale sono giunti a noi solo pochi frammenti conservati nel Museo diocesano, ma ne è conservata testimonianza in un codice del XVII secolo che documenta con ventuno scene acquerellate i dipinti murali perduti nel 1653 quando, a causa del loro cattivo stato di conservazione, vennero scialbati. L'analisi dei frammenti superstiti induce a datarli intorno al 1335 e ad attribuirli alla bottega di uno o di entrambi i fratelli Lorenzetti. Nel 1385 la chiesa fu affidata ai monaci Olivetani, sostituiti nel 1389 dai Minori Osservanti che ancora oggi ne hanno cura e accolgono i visitatori. La chiesa ebbe successive trasformazioni in epoca moderna, di cui rimangono gli altari secenteschi, ma la trasformazione più importante, ma del tutto scomparsa, fu quella voluta a metà del '700 da Giovanni V, Re del Portogallo, che aveva ricevuto una grazia dalla Santa. La chiesa attuale è invece frutto della ricostruzione ottocentesca, affidata dapprima all'architetto Enrico Presenti, che sostituì l'originario impianto ad unica navata con una struttura basilicale, poi all'architetto Mariano Falcini, che terminò il sacro edificio senza accontentare i cortonesi. Pertanto, nel 1896 l'architetto Giuseppe Castellucci fu incaricato di rifare la facciata, che reca nell'occhio il rosone trecentesco dell'antica chiesa abbattuta. Nell'agosto del 1927 fu elevata alla dignità di basilica minore. Nella cappella del transetto sinistro si trova il trecentesco monumento sepolcrale marmoreo di santa Margherita; le venerate spoglie riposano nell’urna d’argento (1646) all’altare maggiore.
