มหาวิหารนักบุญฟรังซิสฯ เริ่มสร้างในคริสต์ศตวรรษที่ 13 เป็นมหาวิหารที่มีด้วยกันสามชั้น ส่วนล่างเริ่มสร้างไม่นานหลังจากที่ฟรังซิสได้รับการประกาศเป็นนักบุญเมื่อปี ค.ศ. 1228 ซิโมเน ดิ พูเชียเรลโล (Simone di Pucciarello) เป็นผู้อุทิศที่ดินและบริเวณเนินเขาทางด้านตะวันตกของเมืองอัสซีซีให้เป็นที่สร้างโบส์ ที่ดินบริเวณนี้แต่เดิมเรียกว่า “เนินนรก” (อิตาลี: Collo d'Inferno; อังกฤษ: Hill of Hell) แต่ปัจจุบันเรียกกันว่า “เนินสวรรค์” (Hill of Paradise)

สมเด็จพระสันตะปาปาเกรกอรีที่ 9 ทรงวางศิลาฤกษ์เมื่อวันที่ 17 กรกฎาคม ค.ศ. 1228 แม้ว่าการก่อสร้างอาจจะเริ่มต้นแล้วก็ได้ ผู้ออกแบบและคุมงานคือภราดาเอเลียแห่งกอร์โตนา ศิษย์คนสำคัญของนักบุญฟรังซิสและเคยเป็นรองอัคราธิการของคณะฟรันซิสกัน ชั้นล่างของโบสถ์สร้างเสร็จเมื่อปี ค.ศ. 1230 เมื่อวันสมโภชพระจิตเจ้าซึ่งเป็นวันฉลอง 50 วันหลังจากอีสเตอร์ เมื่อวันที่ 25 พฤษภาคม ค.ศ. 1230 ก็มีการนำร่างที่ไม่เน่าเปื่อยของนักบุญฟรังซิสจากที่เก็บชั่วคราวที่โบสถ์นักบุญจอร์จซึ่งปัจจุบันเป็นมหาวิหารนักบุญกลารา (Basilica of St. Clare) มาไว้ที่ส่วนล่างของมหาวิหารที่สร้างเสร็จ

มหาวิหารชั้นบนเริ่มสร้างเมื่อ ค.ศ. 1239 และเสร็จเมื่อ ค.ศ. 1253 ลักษณะการก่อสร้างเป็นแบบโรมาเนสก์ผสมสถาปัตยกรรมกอทิกแบบฝรั่งเศส ซึ่งเป็นตัวอย่างของสถาปัตยกรรมกอทิกแบบอิตาลีต่อมา

การตกแต่งของมหาวิหารทำโดยศิลปินสำคัญ ๆ ในยุคนั้นจากโรม แคว้นทัสกานี และ [อุมเบรีย]] ฉะนั้นนอกจากเป็นศาสนสถานสำคัญแล้วมหาวิหารนักบุญฟรังซิสจึงมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์ศิลปะของอิตาลีด้วย ชั้นล่างมีจิตรกรรมฝาผนังของจิตรกรผู้มีชื่อเสียง เช่น ชิมาบูเย และจอตโต ดี บอนโดเน ผู้ซึ่งวาดชั้นบนของมหาวิหารเป็นชีวประวัติของนักบุญฟรังซิสด้วย

สมเด็จพระสันตะปาปานิโคลัสที่ 4 ซึ่งอดีตเป็นอัคราธิการคณะฟรันซิสกันได้เลื่อนฐานะของโบสถ์ขี้นให้เป็นโบสถ์สันตะปาปาเมื่อ ค.ศ. 1288

จัตุรัสเดลเลลอจเจ (Piazza delle Logge) ที่เป็นลานหน้าวัดและทางเดินไปสู่โบสถ์สร้างเมื่อค.ศ. 1474 ใช้เป็นที่พักพิงของนักแสวงบุญที่พากันมาสักการะนักบุญฟรังซิส

เมื่อวันที่ 27 ตุลาคม ค.ศ. 1986 และ เดือนมกราคม ค.ศ. 2002 สมเด็จพระสันตะปาปาจอห์น ปอลที่ 2 เสด็จมาที่มหาวิหารเพื่อจะสวดมนต์เพื่อความสันติสุข

เมื่อวันที่ 26 กันยายน ค.ศ. 1997 ซึ่งเป็นวันครบรอบ 816 ปีของวันเกิดของนักบุญฟรังซิสก็เกิดมีแผ่นดินไหวที่อาซิซิทำให้คนตายไป 4 คน มหาวิหารได้รับความเสียหายอย่างหนักต้องปิดเป็นเวลาสองปีก่อนที่จะซ่อมเสร็จ