És el model més destacat de l’arquitectura religiosa gòtica catalana: remarcable per la severitat de línies, harmonia de proporcions, simplicitat d’estructura i absència d’ornamentació supèrflua. És obra del mestre de cases de Barcelona Pere de Montagut i del seu col·laborador Ramon Despuig, que la començaren el 1329 sobre el solar que ocupava des d’abans del 998 l’església de Santa Maria de les Arenes, o de la Mar, construïda prop de l’antic port, a la Vilanova de la Mar (barri de la Ribera); aquesta fou edificada sobre un cementiri paleocristià, excavat recentment, que suposa l’existència d’una primitiva església en la qual el 877 el bisbe Frodoí trobà les relíquies de santa Eulàlia de Barcelona. La importància d’aquest barri barceloní féu convertir l’antiga església parroquial en arxidiaconal i decidí la renovació de l’edifici, que es construí molt ràpidament (la part essencial s’acabà en temps de Pere el Cerimoniós).
Té tres naus, la central de 13 m d’amplada i les laterals de 6,5 m, separades només per esveltes columnes octagonals, deixant un gran espai o sola per al culte, i l’alçada de les naus és quasi parella. Entre els contraforts de les naus secundàries hi ha les capelles laterals, i a l’exterior, on radica la seva originalitat, predominen les línies horitzontals i d’espais plens. La façana i la porta principal donaven al fossar Major (avui plaça de Santa Maria); té les escultures de Sant Pere i Sant Pau entre els arcs del portal i, al timpà, la del Salvador entre Maria i Sant Joan. La gran rosassa fou destruïda pel terratrèmol del 1428 i reconstruïda el 1459 pels mestres de cases Pere Joan, Andreu Escuder, Bernat Nadal i Bartomeu Mas. Dues torres octagonals es troben als extrems de la façana principal, la de l’extrem del nord acabada el 1496, i, la del sud, el 1902. Les altres portes són: una al costat del nord, o del carrer dels Sombrerers, amb Maria i l’Infant al timpà, esculpits al segle XV, una altra al costat del sud, o fossar de les Moreres, amb una imatge de Santa Maria i, als costats, les inscripcions llatina i catalana que recorden la col·locació de la primera pedra; i una altra a l’absis, que dóna a la plaça del Born, feta per Bernat Salvador el 1549. A la part del carrer de Santa Maria hi ha un pas cobert o pont, fet el 1700, que comunicava el desaparegut palau del capità general amb la tribuna inferior de l’església. Darrere l’absis hi ha l’afegitó de la capella del Santíssim, neoclàssica (1833-35). Es conserven alguns vitralls del segle XV i altres dels segles XVII i XVIII. Al presbiteri hi ha la tomba del rei Pere IV, el conestable de Portugal (1466).
L’església fou malmesa pel bombardeig del 1714, en particular la coberta, i sobretot per l’incendi i la destrucció del 1936, arran de la qual perdé el majestuós altar barroc del 1782. Des del 1940 hom hi féu obres de restauració, que culminaren el 1967 amb l’acabament del presbiteri i la il·luminació interior i exterior. Fou sempre una església molt popular de Barcelona, primer com a església de la gent de la marina, bastaixos i macips, representats en els capitells i en els repujats de bronze de les portes, fins al punt d’ésser considerada com la catedral de la gent de la mar, i, quan decaigué la marina i la importància dels estadants del carrer de Montcada, cedí aquesta funció a l’església de la Mercè, però continuà com a parròquia d’un barri obrer i populós. S'hi celebren, a més del culte, concerts i altres actes ciutadans
L’any 2006, mitjançant un conveni entre la Generalitat de Catalunya, l’arquebisbat de Barcelona i la parròquia de Santa Maria del Mar, s’inicià el projecte de restauració i rehabilitació més ambiciós mai dut a terme a l’església, amb una durada prevista de deu anys. Els primers treballs s’adreçaren a aturar la degradació de la façana principal, els finestrals i les cobertes, bo i assegurant també la protecció de l’interior.
Després de gairebé dos anys, al juny del 2013 es donà per acabada la intervenció a l’absis. A la part externa, es retiraren els cossos afegits al segle XIX sobre l’absis i la capella del Santíssim, que desvirtuaven l’arquitectura gòtica, i a l’interior es recuperaren les capelles destruïdes en part durant el segle XIX. A més de la reconstrucció dels finestrals i les voltes de creueria perdudes en diferents capelles, hom instal·là una nova clau de volta en una de les capelles, i a la resta s’ha restaurat l’escultura i la pintura gòtica amb què estaven decorades inicialment. A les capelles de l’absis es recuperaren també les cantories, espais a mitja alçada sobre una volta del segle XVI, tancats durant segles.