L’any 987 apareix esmentada per primera vegada Santa Maria de Valle Vitraria (aquest nom es creia primer relacionat amb el vidre, però Balari i Jovany va arribar a la conclusió que vitraria era el nom de l’herba coneguda com a “morella roquera” i precisament la vall n’era plena). Tot i així, a l’escut hi apareixen també dues copes de vidre.
Dins el territori de Barcelona, limitava amb Sarrià, Santa Creu d’Olorda, Sant Gervasi de Cassoles i Sant Cugat del Vallès, i també era coneguda com a Sant Cebrià d’Aiguallonga (l’actual Valldoreix) perquè en depenia. Probablement no fou destruïda durant la invasió sarraïna del 985 gràcies a la seva situació solitària. Dos anys més tard en tenim el primer esment en el testament sagramental de Moció, datat l’any 987 i conservat a l’Arxiu de la Catedral de Barcelona. Havia estat capturat pels musulmans i ara atorgava una vinya a Santa Maria de Vallvidrera.
El terme era ben poc poblat i per això les notícies són escasses. Al segle XII comencen les disputes jurisdiccionals amb Santa Creu d’Olorda pels delmes i les primícies dels masos dispersos i, encara que en el segle XIII li serà concedida la categoria de parròquia, les disputes continuaran fins ben entrat el segle XIV. Si bé la jurisdicció criminal des de Montgat a Castelldefels i de Vallvidrera al mar, corresponia al veguer de Barcelona, el rei Pere III, l’any 1355, en un document escrit des de Sardenya, ven el terme de Vallvidrera a Pere Dez Llor per 3 000 sous. Excepte aplicar la pena de mort, li va ser concedit el dret de torturar i plantar forques.
El 1377 Simó Dez Llor ven Vallvidrera a Berenguer de Relat i, només cinc anys més tard, ja pertany a Quitèria de Requesens. Aquestes infeudacions afecten també a Santa Creu d’Olorda. Tot i que l’any 1385 els veïns de Vallvidrera poden recollir prou diners per a poder tornar a la corona, el 1420 tornen a ésser propietat de Pere de Relat, i deu anys després ho són de Galceran de Requesens. Amb l’esforç dels veïns, Vallvidrera torna al domini reial l’any 1431, malgrat l’oposició de Requesens, però torna a ésser infeudada l’any 1477 a Joan de Carcassona per part de Joan II. Amb tot això la parròquia de Santa Maria havia passat al capítol barceloní el 1391 junt amb altres parròquies de la rodalia de Barcelona.
La remodelació del temple correspon a l’any 1540, feta en estil gòtic tardà d’una sola nau, absis poligonal i torre de campanar quadrada. Segons un testament del 1567, hi havia una capella dedicada a la Verge del Roser i uns altars dedicats a sant Joan i a la Verge. Posteriorment, a la primeria del segle XVIII, es construeix una capelleta darrera l’altar amb relíquies.
Vallvidrera era inclosa dins els pobles que eren afectes a la recollita (tenien el dret de refugiar-se dins Barcelona i l’obligació de defensar-la) segons consta en un document del 1564.
L’església fou repetidament escorcollada per l’exèrcit francès el 1808. Através del dietari escrit pel rector Pau Segau es poden tornar a reviure aquells anys d’incertesa. La nova disposició municipal aplicada pels francesos inclou Vallvidrera dins el cantó nord de Barcelona (1810).
La població encara era força reduïda, ja que dels 21 focs del 1359 s’havia passat a només 38 cases al final del segle XIX. A partir d’aquest moment la població es veié incrementada arrel de l’èxode de la burgesia barcelonina durant l’estiu. La construcció de torres d’estiueig promogué l’obertura de dues noves parròquies: una a les Planes i l’altra vora el nucli modern (una sola nau, arcs de mig punt i porxo a l’entrada).
Vallvidrera va fer efectiva l’agregació a Sarrià l’any 1890, dos anys després d’haver-se’n pres l’acord. Posteriorment, la construcció del funicular i l’arribada del tramvia elèctric al nucli modern acceleraren la decadència de la parròquia de Santa Maria de Vallvidrera, abandonada el 1936.