A Pannonhalmi Főapátság a UNESCO Világörökség Bizottságának döntése nyomán 1996 decembere óta a világ kulturális örökségének része. 

Az első bencés szerzetesek Géza fejedelem hívására 996-ban érkeztek magyar földre. Hamarosan lerakták alapjait monostoruknak és szerzetesi templomuknak. Az építkezés befejezését Géza már nem érte meg, a maival egyező méretű templomot István király idején, 1001-ben szentelték fel. A templomot és a monostort Szent Márton tiszteletére szentelték. A szerzetestemplom a XII. század elején leégett, majd 1137-ben helyreállították, kibővítették. Uros apát 1224-ben szenteltette fel a monostor harmadik templomát. A szerzetestemplomot későromán-koragót stílusban, európai kőfaragó-mesterek munkájával újította meg. A templom északi és déli fala őrzi a Szent István-i falakt. Uros apát gondosságát és építészeti koncepcióját dicséri, hogy 1241-ben az országot letaroló tatár hordák megtorpantak a kolostor falai előtt. 1594-1606 között a végvárrá lett kolostor hol a magyarok, hol a törökök kezén volt. A török végleges kiűzése után megindulhatott a kolostor épületeinek rendbehozása. Különösen sokat fáradozott e téren Karner Egyed főapát, aki rendje fennállásának 700 éves jubileumára (1701-re) igyekezett eltüntetni a 150 éves török uralom pusztításának nyomait.

Sajghó Benedek főapát 1722-1768 között a győri karmelita templom építőjével, Witwer Márton Atanáz karmelita testvérrel felépíttette a ma is fennálló barokk épületeket. II. József, a kalapos király rendelete 1786-ban a többi szerzetesrenddel együtt a pannonhalmi Szent Benedek rendet is eltörölte. 1802-ben aztán a szétszórt bencések újra elfoglalhatták elhagyott kolostorukat. Az 1823-ban kezdődő építkezésekkel a hatalmas könyvtárépületnek és a templom klasszicista tornyának megalkotásával kialakult a kolostor mai formája.

A szerzetestemplomot a 19. század utolsó harmadában Stornó Ferenc vezetésével neogót stílusban újították meg. 1943-ban XII. Piusz pápa a templomot basilica minor rangra emelte. Az I. világháborúban a torony négy harangját rekvirálták, pótlásuk rossz minőségben a 20. század folyamán történt.
1980-ban kezdődött a mai orgona tervezése és építése, s a hangszer 1985-re készült el.

A bencés szerzetesközösség a II. vatikáni zsinat után a liturgikus konstitúció szellemében megújította liturgiáját, és igyekezett ehhez igazítani a bazilika liturgikus terét is. Ennek a több évtizedes folyamatnak a betetőzése volt, hogy 2012-re John Pawson építész tervei alapján a szerzetestemplom belső terét teljesen felújították. Az újraszentelést Várszegi Asztrik püspök, pannonhalmi főapát végezte 2012. augusztus 27-én.

A bencés közösség 2024-ben ünnepelte a pannonhalmi bazilika felszentelésének 800. évfordulóját. 2024. augusztus 27-én az 1224-es felszentelést végző püspökök mai utódai, a váci és nyitrai püspök, valamint a pannonhalmi főapát vezették az ünnepi liturgiát. 

2025-ben megújult a templom hangosítási rendszere.