Ο ναός της Παναγίας της Τήνου κτίστηκε σε σημείο όπου βρέθηκε εικόνα της Παναγίας, κατά τη θρησκευτική παράδοση μετά από σχετικά οράματα της μοναχής Αγίας Πελαγίας. Η εικόνα ανακαλύφθηκε μετά από ανασκαφές στις 30 Ιανουαρίου 1823 όταν οι κάτοικοι του χωριού Φαλατάδος ανέλαβαν τη συνέχιση των εργασιών.
«…Ενώ ίσιωναν από τα χώματα το δάπεδο του Ναού και έσκαβαν μεταφέροντάς έξω το χώμα, ξαφνικά η αξίνα του Φαλαταδιανού Εμμ. Μάτσα ή Σπανού κτύπησε πάνω σε ένα ξύλο. Ο χωρικός πήρε το κομμάτι ξύλο και καθαρίζοντάς το έμεινε έκπληκτος μπροστά στο θέαμα: πάνω του ήταν ζωγραφισμένος ένας Άγγελος με κρίνο. Με χαρά και τρεμάμενη φωνή ειδοποίησε τους συγχωριανούς του, οι οποίοι άρχισαν να σκάβουν για το άλλο μισό που γρήγορα βρέθηκε. Πάνω στο ξύλο εικονιζόταν η Θεοτόκος καθισμένη σε θρόνο. Συναρμολόγησαν τα δυο ξύλα και αντίκρισαν με δέος τον Ευαγγελισμό. Το πίσω μέρος της Εικόνας ήταν καμένο, καθώς ο Ναός του Αγίου Ιωάννου, μέσα στον οποίο βρισκόταν από τους πρώτους βυζαντινούς χρόνους η Αγία Εικόνα, πυρπολήθηκε τον 12ο αιώνα από τους Σαρακηνούς. Και όμως το Εικόνισμα είχε διατηρηθεί, παρά τις αντίξοες συνθήκες της υγρασίας και της πολυκαιρίας.
Με δάκρυα στα μάτια έστειλαν απεσταλμένους να ειδοποιήσουν όλο το νησί. Η είδηση έδωσε μεγάλη χαρά στους ντόπιους, αλλά και στους ξένους που άρχισαν να συρρέουν για να ασπαστούν την Αγία Εικόνα Της. Πλήθη κατέβαιναν από όλα τα χωριά ακόμα και τη νύχτα με λαδοφάναρα. Με υπομονή και πίστη ανέμεναν ώρες πολλές για να προσκυνήσουν και να δοξάσουν το Θεό. Την 2 Φεβρουαρίου 1823 για πρώτη φορά έγινε η περιφορά της Αγίας Εικόνας στα στενά δρομάκια της Τήνου.
Η είδηση της εύρεσης της εικόνας, κατά την περίοδο της ελληνικής επανάστασης του 1821 θεωρήθηκε καλός οιωνός και το νησί επισκέφτηκαν για αυτό το λόγο οι Κολοκοτρώνης, Μιαούλης, Νικηταράς και Μακρυγιάννης, για να προσκυνήσουν…»
Μετά την εύρεση της εικόνας ακολούθησε η οικοδόμηση της εκκλησίας. Απαιτήθηκαν μεγάλες ποσότητες μαρμάρων, οι οποίες κατά κύριο λόγο μεταφέρθηκαν από τον αρχαιολογικό χώρο της γειτονικής Δήλου. Απαιτούνταν επίσης και μεγάλος αριθμός εργατών επεξεργασίας και τοποθέτησης μαρμάρων, αλλά κυρίως πολλά χρήματα η έλλειψη των οποίων έφερνε πολλές φορές σε αμηχανία τους επιστάτες του έργου που δυσκολεύονταν να πληρώσουν στο τέλος της εβδομάδας, εργαζόμενους και υλικά. Η ολοκλήρωση του έργου οφείλεται στη σημαντική συνδρομή, σε εργασία και χρήμα, τόσο του τηνιακού λαού, όσο και χριστιανών από την Ελλάδα και το εξωτερικό. Μέχρι τα μέσα του 1832 είχε ανεγερθεί η ανατολική πτέρυγα του συγκροτήματος, το τμήμα ανατολικά του καμπαναριού και το τμήμα ανατολικά της κεντρικής εισόδου. Το σύνολο των εργασιών ανέγερσης ολοκληρώθηκε το 1880.