El origen de la iglesia se remonta a los primeros años de la reconquista por parte del rey Jaime I el Conquistador. El rey aragonés tenía interés en establecer una población permanente en la costa, por ello creó en 1249 la población de Vilanova Maris Valentiae en el Grao de Valencia. Como toda buena población esta debía disponer de templo propio y la actual iglesia es el resultado final de esa aventura.

Su advocación primigenia era de la Asunción de Nuestra Señora, pero en 1333 ya se la nombra como Santa María del Mar de la ciudad de Valencia (Esglesia de Santa María de la Mar de la ciutat de Valencia) y en 1392 como Santa María del Grao. Finalmente ha prevalecido su nombre actual de Santa María del Mar.

De la descripción de este templo antiguo, tenemos constancia por un documento gráfico de 1563, en el cual el pintor flamenco Anthoine Van den Wijngaerde muestra el aspecto del Grao de Valencia y entre las casas se puede apreciar la iglesia. De los pocos datos que tenemos, se puede inferir que se trataba de un templo de nave única, de 25 metros de largo por 18 metros de ancho y que disponía de una espadaña plana situada a los pies de la iglesia.

En 15 de agosto de 1411 se produce el hecho milagroso de la llegada por mar de una talla de madera de Cristo, llamada después del Cristo del Grao, por lo que aumenta la devoción popular que obligaría con el tiempo a ampliar el templo original y construir una capilla dedicada al Cristo. Según la tradición el Cristo del Grao, conocido popularmente como el Negret, llegó flotando por el mar atado a una escalera de 33 peldaños.

En el siglo XVII se acuerda la construcción de un templo de nueva planta. Comienzan las obras el 2 de agosto de 1683 por la cabecera, siendo el maestro de obras Francisco Martí (Franciscus Martí). El templo crece en dirección longitudinal, no así en cuanto a anchura, ya que esta se ve limitada por la capilla del Cristo.

Dispone de dos portadas tardobarrocas, la portada lateral recayente a la avenida del Puerto está formada por dos cuerpos, el inferior aloja la puerta adintelada y en el segundo cuerpo una hornacina alberga una cruz sobre una escalera, que hace alusión a la llegada del Cristo del Grao. En el dintel de la puerta vemos una lápida que dice: "Santa María del Grao 1940" que es la fecha de su restauración.

La fachada principal recayente a la plaza del Tribunal de las Aguas es la situada a los pies del templo, es similar en cuanto a su estructura a la abierta en la fachada lateral. La portada se compone de dos cuerpos, el inferior aloja la puerta adintelada flanqueada por dos pilastras dobles que se alzan sobre un zócalo. El segundo cuerpo está formado por una hornacina avenerada con una imagen pétrea de Nuestra Señora de la Luz, realizada en 1943. Flanquean el nicho dos pilastras con fustes en forma de escamas. La hornacina se remata por un frontón curvo y el conjunto por una serie de adornos de bolas. El estado de conservación de ambas portadas es desigual.

Hacia 1689 el cantero Antonio Borrés eleva en altura el campanario y lo finaliza pues aún no estaba terminado. De estilo barroco; el remate fue destruido en la guerra civil española (1936-1939) ya que este era usado como torre de defensa con artillería antiaérea. El nombre de las campanas son: Pilarica (1955), Sant Vicent Ferrer (1940), Sant Josep (1995), Santísimo Cristo (1940) y Santa María (1940). El campanario levanta en la actualidad unos 23 metros de altura. El reloj de la torre fue colocado en 1858.

El actual templo es de nave única, bóveda de cañón con lunetos, capillas laterales entre los contrafuertes comunicadas entre sí y nave de transepto no sobresaliente en planta con capilla de la comunión adosada (capilla del Cristo). Posee una capilla en el trasaltar que fue terminada en 1702. En el crucero cúpula de media naranja con estrecho tambor apoyada en pechinas. La cúpula central del crucero se reviste al exterior de teja esmaltada en azul, sello característico de los templos valencianos del siglo XVII. Las obras del templo fueron finalizadas en 1736. Su interior se resuelve con una decoración de estilo neoclásico. En el presbiterio encontramos en el lado de la epístola, el órgano de música, realizado en 1995 en sustitución del destruido en 1936.

Detrás del altar mayor (trasaltar) encontramos una capilla que hace funciones de sacristía. De planta cuadrada, se cubre por una cúpula de media naranja. Destaca la capilla por las pinturas murales realizadas con la técnica del fresco y acabadas en seco que cubren todas sus paredes e incluso la cúpula. Realizadas en 1702, están firmadas por Joan Baptista Vayuco o Bayuco (* Valencia ca. 1664 † 1706), representan diversas escenas y alegorías: motivos eucarísticos, alegorías de las virtudes, la Revelación, la Doctrina, la Trinidad, figuras evangélicas y de la patrística, todas ellas rodeadas por un mundo de ángeles, cornucopias, jarrones, guirnaldas, flores y demás ornamentación barroca propia de la época. En la parte superior de la portada podemos leer una inscripción que dice: DIE XXV MARTII ANNO. En sus muros podemos ver tres grandes lienzos enmarcados en yeserías con las tres virtudes teologales: Fe, Esperanza y Caridad. En las cuatro pilastras angulares de la sala cuatro padres de la iglesia: san Gregorio, san Agustín, san Jerónimo y san Alberto Magno. En la cúpula, una gloria celestial con la Santísima Trinidad y su corte angelical; esta apoya en cuatro trompas adornadas con frescos con los cuatro evangelistas con sus símbolos. A destacar que entre los personajes retratados figuran diversos personajes de la época, así se retrata al papa Clemente XI (1700-1721), al arzobispo de Valencia Antonio Folch de Cardona (1700-1724) y al párroco de la iglesia, Palmacio de Goya.

Capilla mayor Retablo de formas neoclásicas, es copia del anterior que fue destruido en la guerra civil española. En su hornacina central encontramos la imagen de Nuestra Señora de la Asunción, copia del original perdido de José Esteve Bonet y titular del templo. La imagen es obra realizada en 1941 por los imagineros Luis Carlos Román López (* Algeciras, Cádiz 1903 † Valencia 07-05-1996) y Vicente Salvador Ferrandis (talleres Román y Salvador). Flanqueando el retablo cuatro lienzos del pintor Jesús García realizados en 1997 con escenas alusivas a los misterios gozosos del santo rosario. En un nivel inferior lienzos de san Pedro y san Pablo del mismo autor. La pintura del tabernáculo es obra del mismo pintor, realizada en 1998 siguiendo el modelo instaurado por Joan de Joanes en el siglo XVI.

Capilla de Nuestra Señora del Perpetuo Socorro Retablo de inspiración barroca construido en 1949 por Cardells. En el centro copia tradicional de un icono existente en la Iglesia de San Alfonso María de Ligorio de Roma, pintada por Meseguer en 1941. A la izquierda imagen del siglo XVIII de san Telmo, patrón de los navegantes. A la derecha santa Teresita de Lisieux (del Niño Jesús). Hasta 1936 esta capilla estuvo dedicada a san Telmo y bajo la mesa del altar estuvo la pila bautismal a la que se accedía levantando una parte de la misma que era de madera, mostrando así la antigua pila.

Capilla de la Inmaculada Concepción Ocupando el centro de la hornacina, escultura de la Virgen, obra en madera de Carmelo Vicent Suria realizada en 1940, copia de la original destruida en la guerra civil. El retablo está realizado después del conflicto bélico en estilo neoclásico. A ambos lados esculturas de santa Teresa de Jesús, talla de Juan Plá de 1941 (a la izquierda) y san Antonio de Padua de Luis Carlos Román López y Vicente Salvador Ferrandis de 1943 (a la derecha). En los muros laterales lienzos de la Anunciación (a la izquierda) y la Virgen Niña (a la derecha).

Capilla de Nuestra Señora del Carmen En el interior de un retablo neoclásico posterior a la guerra civil española, talla en madera de Nuestra Señora del Carmen, patrona de los marineros y gentes del mar, obra de Luis Carlos Román López y Vicente Salvador Ferrandis en 1941. A la izquierda escultura de san Joaquín (padre de la Virgen María), obra de José María Ponsoda Bravo en 1941, a la derecha el Niño Jesús de Praga, obra de Gaspar y Pérez Pelegrín.

Capilla de san José Ocupa el retablo central una escultura de san José, esposo de la Virgen María, obra de 1941. Bajo la escultura y en el interior de una urna acristalada imagen yacente de la Virgen (la Dormición), obra de 1941 del taller "Román y Salvador". A la izquierda escultura de Nuestra Señora del Pilar y a la derecha san Pascual Bailón.

Capilla de la Virgen Dolorosa Centra el retablo la imagen de la Virgen Dolorosa, en ocasiones llamada de la Soledad por ser esta su antigua advocación. Coronada canónicamente en 2013, esta figura procesiona en la semana santa marinera junto con la cofradía de granaderos del Grao. A la izquierda talla de la Virgen Milagrosa y a la derecha imagen de la Virgen de Lourdes junto con santa Bernardette. Bajo la escultura de la Dolorosa, imagen de Cristo yacente con la cruz del Santo Sepulcro de Jerusalén.

Capilla de la Virgen de los Desamparados Retablo de adscripción neoclásica realizado después de la guerra civil española. En la hornacina central imagen de la Virgen de los Desamparados, patrona de la ciudad, obra realizada en 1942 por los talleres Rabasa-Royo (José Rabasa Pérez y Antonio Royo Miralles). A la izquierda imagen de santa Rita de Casia y a la derecha el arcángel san Rafael. En el suelo y mirando a la Virgen, talla de san Pelegrín, realizada en madera policromada por el taller Artemartinez de Horche (Guadalajara) en 2020. En el muro lateral derecho sobre una peana, imagen de san Nicolás, realizada por el mismo taller en 2021 .

Capilla del Sagrado Corazón de Jesús Retablo de inspiración neoclásica realizado después de la guerra civil española. En el centro imagen del Sagrado Corazón de Jesús, realizada en madera en 1941 en los talleres de Román y Salvador. A la izquierda imagen de Nuestra Señora de Fátima, obra de Luis Carlos Román López de 1959. A la derecha imagen de San Pancracio, abogado del trabajo. En el muro lateral izquierdo talla de san Judas Tadeo, realizada en 1993 por Federico Esteve Defés (* L'Alcudia, Valencia 1937 † Valencia 2011). En el muro lateral derecho talla en corcho de san Antonio Abad, realizada en 2019 por José Vicente Cifre Fornas.

Capilla de san Vicente Ferrer Retablo de inspiración barroca construido en 1991 por Francisco López Pardo (* Valencia 17-09-1924 † Bétera 02-03-2019). En el centro talla en madera realizada en 1918 por Salvador Rubio, representando a vestido con hábito de dominico. Aparece con el dedo índice levantado como es normal en su iconografía. A la izquierda imagen de la beata Josefa María de santa Inés de Beniganim, realizada en 1996 por el imaginero Francisco Martínez Aparicio. A la derecha beata Josefa Naval Girbés, obra realizada en 1996 por el mismo autor.

Capilla del Santísimo Cristo del Grao En el brazo crucero de la nave de la epístola. En la parte superior de la capilla una inscripción dice: SEMBRANDT LA PIETAT I PAU A NOSTRA PLATJA ARRIBARES ALS TEUS FILLS NO DESAMPARES SANTISSIM CRISTO DEL GRAO. Centra el retablo, la talla gótica fechada en el siglo XV del Santísimo Cristo del Grao. La imagen fue resguarda durante la guerra civil de 1936 en el Ayuntamiento de Valencia, lo que evitó que pudiera ser destruida; al finalizar la guerra la imagen fue devuelta a su iglesia en 2 de mayo de 1940. Otra salida que tuvo el Cristo del Grao fue durante la guerra de la independencia de 1808 en que fue trasladado a la isla de Ibiza a salvo de las tropas francesas.

La tradición nos cuenta que la imagen del Santísimo Cristo del Grao, arribó a nuestras costas flotando sobre el mar en 15 de agosto de 1411. El Cristo estaba atado a una escalera de madera, después de un largo pleito con los vecinos de Ruzafa, finalmente la imagen quedó depositada en la iglesia del Grao. Precisamente en la portada lateral de la iglesia, podemos ver una representación de la citada escalera. Es este Cristo muy venerado entre los habitantes del Grao, siendo apodado como el Negret por el color de la madera con el que está tallado.

Adosado al muro exterior del templo encontramos una fuente pintada en verde chillón. La misma fue colocada en este lugar en 1859 con el legado efectuado por don Dionisio Bello. La misma proporcionaba agua potable al Grao en una época en que la única forma de abastecerse de agua era mediante pozos excavados en el suelo. En la misma un niño está sentado sobre una concha marina, mientras cabalga a lomos de un gran pez de cuya boca surge el agua que se derrama en una taza también con forma de concha marina.

Una inscripción situada encima de la fuente dice: "Aguas del Turia derrama esta fuente por los esfuerzos del municipio de Valencia. La cooperación del de esta villa y el legado de 80.000 reales de Don Dionisio Bello. 3 mayo 1859".

Otra placa colocada en el año 1999 dice: 750 Aniversari. El rei En Jaume I, el conqueridor, alorga, al lloc, i llogarencs de l'actual GRAU, el nom de Ville Nove Maris Valentiae i nombrosos privilegis el 27 de maig de l'any 1249. 1249-1999.

En la fachada recayente a la avenida del Puerto un panel de azulejos a tonos de socarrats dice en valenciano: MCDXI - MMXI / En commemoració del siscents aniversari de l'arribada del Santissim / Crist del Grau i la visita de la Mare de Deu dels Desamparats. / Grau Valencia I-V-MMXI. Molt ilustre Germandat del Santissim Crist del Grau.