Una pergamena del 1176 ricorda la presenza di una piccola chiesa chiamata Santa Maria di Castellano. In essa si conserva in una edicola, una icona mariana di fine trecento, su lastra di pietra, della Beata Vergine Maria ed è oggetto di grande devozione. L’icona mariana si è sempre chiamata Madonna della Vetrana. Alla fine del 1690 la chiesa era quasi diruta quando un avvenimento grave venne a turbare Castellana e tutta la zona circostante: una pestilenza si diffuse, portando morte e lutto in città e nei paesi limitrofi. Due sacerdoti ricorsero all’intercessione della Madonna e l’11 gennaio del 1691 parve ad uno di essi di udire una voce interna che comandò alla peste, in nome della Vergine, di lasciare quella terra; e così cessò il flagello. La Madonna avrebbe anche manifestato il desiderio che fosse ampliata la chiesa.
Il popolo di Castellana per gratitudine decise di riedificare ed ampliare la Chiesa. I lavori durarono soltanto un anno e vi presero parte i cittadini stessi. Alcuni anni dopo, la bellissima chiesa fu affidata ai francescani. La Contessa Dorotea Acquaviva d’Aragona dei Duchi d’Atri, sposa di Giulio Antonio III, per ringraziamento la Vergine per averle salvato il bambino Giulio Antonio IV, volle fondare un convento annesso alla stessa chiesa.

Il decreto della fondazione del convento è datato 15 settembre 1713. Il 9 febbraio 1714 l’edificio era terminato e veniva consegnato ufficialmente ai Frati Minori Alcantarini. Nel 1727 il Padre Guardiano, con audace progetto di ingegneria casareccia, trasportò la lastra di pietra dell’icona dal muricciolo sulla parete dietro l’altare maggiore. Sul pavimento della chiesa un distico latino indica il posto del muricciuolo della vecchia edicola.
Nel 1866 con l’atto di soppressione degli Ordini Religiosi in Italia da parte del Governo svuotò tutti i Conventi e quindi anche quello di Castellana. Durante gli anni seguenti i frati tornarono sporadicamente a curare il culto della Madonna, grazie anche alla rinascita del francescanesimo con il Terz’Ordine Francescano.
Il 21 marzo 1931 chiesa e convento furono ceduti ai frati in enfiteusi perpetua e il giorno 29 maggio 1986 il Vescovo Mons. Antonio d’Erchia dichiarava la Chiesa Santuario Mariano Diocesano.