Der Platz auf dem sich heute die Wallfahrtskirche erhebt, war ehemals der Mittelpunkt des römischen Dieburg. Von der reichen Stadtkultur der Römerzeit zeugt jeder Quadratmeter des Dieburger Bodens, aber es ragt davon über die Erde nicht ein einziger Mauerstumpf. Hart an römische Mauerruinen lehnen sich die Fundamentmauern dieser Wallfahrtskirche an. Zwischen der Straße und dem Hauptschiff der Kirche verlaufen Mauerzüge, zu denen auch ein quadratisches Turmfundament gehört, das unter der Südapsis des Querschiffs steckt. Schon in vorkarolingischer Zeit entstand jene dreischiffige Basilika, auf deren Grundmauern noch jetzt das Hauptschiff der heutigen Kirche ruht. Mit ihrem geräumigen Chor, ihrem gradlinigen Abschluß nach Osten und ihrem rätselhaften Maßsystem ist sie unter den vergleichbaren Kirchen des 8. Jahrhunderts die altertümlichste. Für 14 Ortschaften war diese Pfarrkirche das einzige Gotteshaus des Sprengels, der ein geistliches Halbstift bildet. Patrone der Kirche waren die Apostelfürsten Petrus und Paulus.
Es war ein schwerer Schicksalsschlag für das Dieburger Land, als diese Kirche 1216 niederbrannte. Bei dem Wiederaufbau beschränkte man sich auf die Modernisierung der schadhaft gewordenen Teile, Basen und Kämpferkapitelle. Als Ersatz für den abgetragenen freistehenden Glockenturm bekam die Kirche einen neuen vor der Mitte der Westfront. Über dem Fundament des alten Glockenturms errichtete man eine kleine Marienkapelle, die 1232 eingeweiht wurde. In der 2. Hälfte des 14. Jahrhunderts wurde der Kirche in gotischem Stil ein rippengewölbter Chor mit überhöhtem Dach angefügt, der Turm im Westen erhielt einen Oberbau, die Seitenschiffe wurden bis auf einen Kapellenraum niedergelegt, die Arkaden zugemauert, um dem Kircheninnern im Gegensatz zum bisherigen Zustand eine größere Schlankheit in der Längsrichtung zu geben. Auch die alte Sakristei im Norden des Ostchors erhielt ihr gotisches Gewölbe. Dieser hochgestimmten Bauzeit gehören die Reste der Malerei an den Apsiswänden, das schlichte Sakramentshäuschen des Ostchors und das Kruzifix an der südlichen Außenwand an.
Seinen Gipfel erreichte der religiöse Aufschwung des gotischen Zeitalters in Dieburg mit der Aufstellung der einzigartigen Pieta, dem heute noch hochverehrten Gnadenbild zu Dieburg.
Als Erzbischof Daniel Brendel von Homburg im Jahre 1569 der Pfarrei Dieburg die seitherige Minoritenkirche als Pfarrkirche zuwies, konnte das alte Dieburger Gotteshaus ausschließlich zu dem werden, was es noch heute ist, nämlich zur Wallfahrtskirche.
Für den Zustrom der Wallfahrer war sie jedoch nicht geräumig genug. In dem kriegerischen 17. Jahrhundert konnte eine Vergrößerung nicht erfolgen, doch am Ende dieses Jahrhunderts, 1697, erbaute man das südliche Querschiff nach der Niederlegung der Marienkapelle. Die Einwölbung der gesamten Kirche, die bis dahin flach gedeckt war, begann 1701 in der Art eines Tonnengewölbes mit Fensterstichkappen, sogar der gotische Ostchor wurde in dieses Gewölbesystem einbezogen, nachdem das Netzgewölbe entfernt worden war. Man erkennt dies noch an den Kragsteinen. Der Raumgewinn im Süden war so überzeugend, daß man anschließend auch ein etwas höheres und längeres nördliches Querschiff zufügte. Dadurch erhielt der Gesamtraum seinen Schwerpunkt im Westen. Man trug diesem Umstand Rechnung durch Aufstellung des Hochaltars vor dem Westeingang. Auch die Portale und vergrößerten Rundbogenfenster gehören diesem Bauabschnitt an. Die Decke erhielt ihre barocke Bemalung im Ornamentstil. Die Altäre schuf der Dieburger Kunstschreiner Joh. Pet. Achtekirch, nämlich den Josefsaltar, der als Hochaltar in der Mitte stand, ferner den Laurentius- und Antoniusaltar. Mit der Stiftung der Kanzel und der Aufstellung der Orgel kam 1759 die barocke Ausstattung zum Abschluß.
Erzbischof Joh. Friedr. K. v. Ostein empfand sodann das Bedürfnis, dem Dieburger Gnadenort von sich aus einen neuen Hochaltar zu stiften. Er beauftragte 1749 seinen nachmals berühmt gewordenen Stukkateur Joh. Pet. Jäger mit der Ausführung und ließ sein eigenes Wappen über dem Gnadenbild aufhängen mit dem Spruchband EX VOTO (d.h. auf Grund eines Gelübdes).
Mehr als ein Jahrhundert lang tobten wiederum die Wetter um das alte Gemäuer der Gnadenkapelle und verursachten bedenkliche Schäden. Da reifte der Plan zum Abbruch und gänzlichen Neubau, für den fromme Spender schon über 150.000 Mark zusammengebracht hatten. Doch die Inflation von 1923 verwehte dieses Kapital und rettete das tausendjährige Heiligtum vor dem Abbruch. In den Jahren 1929/30 erlebte die Wallfahrtskirche ihre bauliche Sicherung und stilvolle Restaurierung. Im Zusammenhang damit erhielt sie auf der Nordseite einen Außenaltar, der durch einen säulengetragenen Baldachin geschützt ist. Die Grabsteine des alten Friedhofs wurden 1948 abgetragen und die Stationskapellen der sieben Schmerzen Mariä errichtet.
Im Frühjahr 2010 verstummte nach über 250 Jahren die Prachtvolle Orgel und ein Keyboard musste sie vorrübergehend ersetzen. Doch da eine Orgel nicht durch ein anderes Instrument zu ersetzen ist, wurden, durch den im November 2010 neu gegründeten Orgelförderkreis, eifrig Spenden gesammelt. So konnte, nach der restaurierung der Empore und noch nicht völlig fertig gestellt, die neue Orgel im Auftaktgottesdienst zu den großen Wallfahrten nach Dieburg, Anfang September 2013, durch Generalvikar Dietmar Giegelmann geweiht werden. Seitdem erklingen nun wieder die Töne einer prächtigen Orgel zu den Gottesdiensten. Die entgültige Fertigstellung der Orgel geschah im Oktober des gleichen Jahres.
