Церковь Санта-Мария-дель-Аммиральо построена на средства Георгия Антиохийского (умер в 1151 или 1152 году), флотоводца короля Рожера II и «адмирала адмиралов». В историческом названии сохраняется память о первоначальном посвящении храма Богородице и об имени основателя. Двуязычная (на греческом и арабском языках) хартия Георгия, одобренная королём Рожером II, сохранилась в архиве Палатинской капеллы и датирована 1143 годом. В хартии адмирал сообщает об основании церкви, посвящённой Богородице в знак благодарности за многочисленные Её милости, и жертвует имение в Мисилмери, а также ежегодно 60 золотых тари (монет) на содержание храмового духовенства и маленького женского монастыря.
В XII веке церковь представляла собой в плане греческий крест (то есть равновеликий) с тремя апсидами и притвором, а с западной стороны к храму примыкал окружённый с трёх сторон портиком двор с пристроенной колокольней. В середине XII века (вероятно, ещё при жизни ктитора) интерьер церкви был украшен византийскими мозаиками с характерными золотыми фонами. Вопрос о времени постройки кампанилы дискутируется: по одной версии, колокольня была построена одновременно с храмом, а по другой — в конце XII века. В 1184 году церковь посетил арабский путешественник Ибн Джубайр, оставивший восторженное описание храма:
Мы видели самое замечательное строение, которое нам не под силу описать, и потому мы вынуждены молчать, ибо это самое красивое здание в мире… Это одна из самых чудесных построек, виденных нами когда-либо… Стены внутри позолочены — или, скорее, сделаны из одного большого куска золота. Плиты из цветного мрамора, подобных которым мы никогда не видели, покрыты золотой мозаикой и увенчаны зелёными мозаичными ветвями. Большие солнца из золочёного стекла, расположенные в ряд наверху, сверкают огнём, который ослепил наши глаза и породил в нас такое смятение духа, что мы молили Аллаха сохранить нас…
В 1194 году поблизости от церкви был основан женский бенедиктинский ьмонастырь. Основателями монастыря были Жоффруа и Элоиза Марторана. По повелению короля Альфонса Арагонского 30 сентября 1431 года Санта-Мария-дель-Аммиральо была передана этому монастырю, а в 1435 году папа Евгений IV своей буллой закрепил эту передачу. В результате за церковью закрепилось второе название — Марторана, а богослужение стали вести по латинскому обряду.
В 1935 году Муссолини передал церковь албанской общине потомкам албанцев, бежавших в XV веке на Сицилию от османского завоевания и сохранивших в латинском окружении византийский обряд в унии с Римом. Таким образом, после пятивекового перерыва в Марторане было восстановлено богослужение по византийскому обряду.