Seit dem 7. Jhd. wurden an dieser markanten Stelle am nordöstlichen Seeufer Kirchen gebaut: die Ausgrabungen wiesen solche auch für das 8., 11., 14. und 15. Jhd. nach. Die Seebreite lud von jeher besonders zum Fährverkehr zwischen den Ufern ein, der auch von den Pilgern auf dem Weg von Santiago de Compostela via Einsiedeln nach Konstanz, Köln und Aachen benutzt wurde.
Patron war daher der Hl. Martin, und seit 965 gehörte die Kirche dem Kloster Einsiedeln, das die Kirche im 11. Jhd. der Schutzpatronin Maria-Muttergottes umwidmete. - Bis 1818/20 hatte das Kloster die Kollaturrechte inne, wählte also auch den reformierten Pfarrer - nach der Reformation allerdings auf Vorschlag des Zürcher Rates -, und hatte auch Unterhaltspflichten am Bau.
Die Untergeschosse des heutigen Turms stammen von 1400.
1493-95 schliesslich entstand im Rahmen des "Zürcher Kirchenbau-Booms" der heutige Bau. Steinmetz-Zeichen und Stilvergleiche zeigen, dass er wahrscheinlich von Hans Felder ausgeführt wurde, dem Baumeister der Wasserkirche Zürich und der Kirche St. Oswald in Zug.
Unter dem 1517 eingesetzten Pfarrer ging auch Meilen zur Reformation über.
1786 wurde im Schiff - nach einer Verlängerung nach W - eine spätklassizistische Stuckdecke eingebaut, wohl von Peter Anton Moosbrugger aus dem Vorarlberg, der auch in vielen anderen Kirchen im Züribiet tätig war. Der Chor behielt sein spätgotisches Netzgewölbe.
1865 erfolgten erhebliche neugotische Umbauten, begleitet von Ferdinand Stadler: die W-Front bekam 3 schlanke Rundbogenfenster. Die barocken Vorzeichen von 1786 wurden neugotisch erweitert, die Fenster im Schiff von Johann Jakob Röttinger farbig verglast.
1927 wurden die meisten dieser Umbauten wieder rückgängig gemacht.
Die Vordächer der Seiteneingänge (Vorzeichen) wurden 1936/38 nach alten Vorbildern rekonstruiert, die Emporen-Aufgänge innen umgestaltet.
1947 wurde das Schiff durch Umbau des Vorzeichens in eine W-Front nach W verlängert, - was 1976-78 innen revidiert wurde.
1951 wurde der nördlich an der Kirche gelegene Friedhof aufgehoben.
Die westliche Vorhalle entstand 1976-78. Sie ersetzt einen kleineren Vorgängerbau von 1936, der seinerseits eine neugotische Vorhalle ablöste.
1969/70 wurden im Chor fünf Glasfenster von Max Hunziker mit biblisch-symbolischem Inhalt eingesetzt. Die Farbfenster von 1868 im Schiff stammen von Glasmaler Johann Jakob Röttinger, Zürich.
Die letzten Renovationen von 1997 und 2003/04 brachten dem Äusseren und dem Innenraum den alten Glanz zurück.