Der Halberstädter Bischof Arnulf gründete im Jahre 1005 ein Kollegiatstift zu Ehren Marias, das schnell und bis zum Ende des 15. Jahrhunderts von überregionaler Bedeutung war. Die bis heute ältesten erhaltenen Teile der Kirche, die Untergeschosse der Westfassade, stammen nach neuerer Forschung jedoch aus der Zeit nach 1089. Bis fast über das gesamte 12. Jahrhundert hinweg wurde die dreischiffige Pfeilerbasilika (um)gebaut. Das Gesamtbild wurde maßgebend von Bischof Rudolf geprägt, der die Arbeiten ab 1146 bis zu seinem Tod 1147 führte und das Langhaus und die achteckigen Osttürme mit Zeltdach (vollendet 1200) errichten ließ. Um 1170 entstand der Anbau der Taufkapelle, deren Gewölbe von einer zentralen, mit ornamentalem Kapitellschmuck verzierten Säule gestützt wird. Das Portal der Kirche und die Westtürme mit hohen rheinischen Rhombendächern stammen aus dem 13. Jahrhundert. Auch wurde in dieser Zeit das ursprüngliche Flachdach über Chor und Querhaus durch ein Kreuzgratgewölbe ersetzt. In der ersten Hälfte des 13. Jahrhunderts wurden Wände und Gewölbe mit üppigen Fresken verziert, von denen der Konservator Ferdinand von Quast im 19. Jahrhundert schrieb: Uns ist bisher bei deutschen Wandmalereien nirgends eine ähnliche Meisterschaft vorgekommen. Der neue Kreuzgang westlich der Kirche stammt aus dem 14. Jahrhundert.
Im Laufe der Jahrhunderte erfuhr die Liebfrauenkirche teils weitreichende Veränderungen. Vor allem wurde die Flachdecke des Hauptschiffs im 14. Jahrhundert durch ein Kreuzgratgewölbe ersetzt. Im 16. Jahrhundert wurde die Taufkapelle mit einem gotischen Ostabschluss versehen. 1661 wurde die Kirche im Stil des Barock umgestaltet, die Malereien der protestantischen Schlichtheit gemäß weiß übertüncht. Auch wurde im 17. Jahrhundert der steinerne Lettner von 1230 entfernt und durch einen gusseisernen ersetzt. Während des Siebenjährigen Krieges und der Besatzungszeit unter Napoleon diente die Liebfrauenkirche kurzzeitig unter anderem als Gefängnis, Munitionsproduktionsstätte und Waffenlager, der Kreuzgang als Pferdestall. Bei der Besatzung entstanden auch Schäden an den Chorschranken: einigen Figuren wurden zum Vergnügen französischer Soldaten die Nasen abgeschlagen.
1833 besuchte Karl Friedrich Schinkel im Auftrag des Königs Friedrich Wilhelm IV. die Liebfrauenkirche und erkannte die kunsthistorische Bedeutung der mittelalterlichen Fresken im Kirchenschiff und im Hohen Chor, die kurz zuvor wiederentdeckt worden waren. Der König gab daraufhin 1840 Ferdinand von Quast den Auftrag zu umfassenden Restaurierungsarbeiten, die bis 1848 abgeschlossen wurden. Die Arbeiten wurden jedoch unsachgemäß ausgeführt: die übertünchten Fresken wurden bei der Freilegung stark beschädigt, sodann nicht konserviert sondern historisierend übermalt. Zuvor wurden jedoch Strichpausen der Fresken angefertigt, die heute im Kunstgewerbemuseum Berlin liegen. Trotz neuerlicher Reinigung und Konservierung sind heute nur noch Reste der Fresken erhalten. Die Restaurierungsarbeiten unter Friedrich Wilhelm umfassten auch eine Erneuerung der Decke des Mittelschiffs (das nachträglich eingebaute Kreuzgratgewölbe drückte die Wände auseinander) und der Mauern der Seitenschiffe sowie eine vollständige Erneuerung des Nordostturms. In die Südseite wurde ein Eingang gebrochen, der heute als Haupteingang dient und die zwei Eingänge der Ostseite ersetzt.
Bei den alliierten Bombenangriffen vom 8. April 1945 wurde Halberstadt, das ehemalige Rothenburg des Nordens, fast vollständig in Schutt und Asche gelegt. Auch die Liebfrauenkirche wurde sehr stark beschädigt. Vor allem dank des Einsatzes des Halberstädter Architekten Walter Bolze konnte die Liebfrauenkirche zwischen 1946 und 1952 repariert werden.
Nach der Wende folgten weitere wichtige Restaurierungsarbeiten, die bis 2003 in großen Teilen abgeschlossen wurden.