Aquesta església és la parròquia de la vila de Tolba i presideix el nucli de poblament. Depengué en un primer moment de la parròquia de Sant Just i Sant Pastor de Falç, de la qual més tard s’independitzà. Tot i els seus suposats orígens com a seu del bisbat visigòtic d’Ictosa, les primeres referències de l’església cal cercar-les al segle XI. Hom suposa que fou concedida a la canònica de Sant Vicenç de Roda pel rei Sanç Ramírez. El bisbe Ramon Dalmau, desitjós de fonamentar l’antiguitat i per tant la independència de la seu de Roda envers la d’Urgell, identificà Tolba amb la mítica seu d’Ictosa i ho volgué corroborar mitjançant la celebració d’una assemblea de tot el bisbat a Tolba el 1080. En aquests moments, un canonge anomenat Folc va ésser l’encarregat de la reconstrucció de l’església, que quedà inacabada després de la seva mort.
Passat un temps, vers l’any 1100, Gonçal, prior del capítol de Roda, es preocupà per reclamar els béns sostrets a l’església de Tolba, bona part dels quals se’ls havia quedat l’abat Sunyer de Falç, mentre que el bisbe ordenà Bonús clergue perpetu de Santa Maria.
El naixement de l’església de Tolba no va ésser pas fàcil, ja que aquest projecte tenia l’oposició dels feudals i dels abats de Falç. Els bisbes i canonges de Roda potenciaren Santa Maria de Pui com a centre de devoció i de pelegrinatge; fins i tot Ramon Dalmau l’equiparà amb els grans santuaris de l’època, de manera que els guanys espirituals fossin semblants. Segons l’acta de restauració del 1080, els veïns de la rodalia i d’altres viles van dotar-la amb els seus béns personals. La importància donada a les seves consagracions, l’autorització per tal que tots els homes del bisbat hi poguessin tenir dret de sepultura i l’advocació similar al gran centre francès del Loira fan suposar que degué ser un lloc important en les rutes de pelegrinatge. Tanmateix, les notícies són exigües. Consta que el castlà Ramon Ponç de Falç féu donació a Sancte Marie de Tolva d’una terra a les Cinc Creus, terme del castell de Falç, la qual havia comprat a Esteve Oriol i a la seva dona Oro per dos sous. Per l’agost del 1100, el rei Pere I donà a “Sancta Maria de Tolba, in illa almunia de Sahangres, in illo termino de Falces” la part que allí tenia i li pertanyia.
L’1 de març de 1130 el bisbe Pere Guillem de Roda-Barbastre, amb l’exhortació dels clergues de Sant Vicenç, procedí a una segona dedicació. L’acte tingué una gran solemnitat, ja que concelebraren també el nou arquebisbe de Tarragona, Oleguer, i el bisbe Ramon Gaufred de Vic, i li foren concedits els drets parroquials, és a dir, el dret de baptisteri, els delmes i el dret de fossar. Pel mes d’agost d’aquest mateix any, essent a Saidí, el rei Alfons I el Bataller lliurà i confirmà a Sant Vicenç de Roda i al dit bisbe l’església de Santa Maria de Tolba, tal com ja havia estat donada pel seu pare Sanç Ramírez al bisbe Ramon Dalmau i als canonges. Poc després, el capítol de Sant Vicenç, presidit pels bisbes de Roda i d’Osca, corroborà els privilegis concedits a l’església de Tolba i, fins i tot, els amplià de manera que el bisbe només s’hi reservà els drets de cena i de preguera. En realitat, calgué seguir tots aquests passos per tal de segregar una nova jurisdicció parroquial i d’evitar-se així problemes més endavant amb Sant Just i Sant Pastor de Falç. Tanmateix, els reiterats conflictes sobre la titularitat de l’església de Tolba motivaren la celebració d’un judici presidit pel bisbe Guillem Pere (1161), que dictaminà en contra de les pretensions de l’abat Ramon de Falç. Amb tot, amb el trasllat de la seu a Lleida, el capítol de Roda acabà perdent bona part de les seves prerrogatives, que en aquest cas passaren a l’ardiaca de Ribagorça. Aquest a la baixa edat mitjana recaptava a Santa Maria de Tolba els respectius delmes, drets amb el peu d’altar i l’onzè de les quartes episcopals, i censos per diverses heretats (1493), mentre que Roda hi retenia una canongia. L’any 1289 s’arribà a un nou acord amb l’església de Falç sobre els delmes de les Segarres Baixes, de manera que va ésser establerta en aquest lloc una vicaria o coadjutoria dependent de Tolba. Segons la relació de la dècima per a Terra Santa (1280), la comunitat de Santa Maria del Pui era formada per un vicari, dos porcioners i tres beneficiats; en total les seves rendes foren taxades en 18 sous i 10 diners. En època moderna se’ls afegí un cabiscol o xantre encarregat del cant litúrgic.
L’edifici de Santa Maria va ésser reformat i ampliat al segle XVI, concretament el 1565 segons una inscripció vista per Moner i de Siscar. Contribuí a la fàbrica el municipi de Tolba, segons consta en diversos censals (1547, 1563). En realitat les obres no finalitzaren fins al segle XVII, de manera que els plantejaments barrocs se superposaren als renaixentistes. La façana quedà completa en incorporar al començament del segle XIX una notable portalada romànica i altres elements procedents de Sant Just i Sant Pastor de Falç, com un fris escacat que es col·locà al campanar.