Elevée à l'emplacement de la ville antique, l'ancienne église Sainte-Marie puis Notre-Dame-du-Plan aurait succédé, d'après Jacques Thirion, à la cathédrale paléochrétienne du lieu de Cimiran. Castellane aurait en effet été le siège d'un évêché connu entre 439 et 442 (il a ensuite été transféré à Senez).
Entre 993 et 1032, les églises de Castellane Notre-Dame, Saint-Jean et Saint-Laurent sont données à l'évêque de Senez par un nommé Dodon et sa femme Vauburge.
Dans le 1er tiers du 11e siècle (entre 1005 et 1020), l'église Sainte-Marie est cette fois donnée à l'abbaye de Saint-Victor de Marseille par Audibert (ou Eldebert) de Castellane et sa femme Ermengarde, toujours "avec les églises Saint-Jean, Saint-Pierre et Saint-Laurent construites autour de la basilique Sainte-Marie" qui sont, toujours selon Thirion, les traces et preuves de l'existence d'un groupe épiscopal ; donation confirmée par les évêques de Senez à plusieurs reprises au cours du 12e siècle. Les églises qui se trouvaient autour de Notre-Dame-du-Plan ont aujourd'hui disparu.
L'autre prieuré victorin de Castellane, l'église Saint-Victor (référence : IA04000900), lui est uni en vertu d'une charte de 1259.
Dans les pouillés on en trouve mention vers 1300 sous le vocale de Notre-Dame-du-Plan (ecclesia Beate Marie de Plano), puis à nouveau en 1376.
L'édifice religieux tel qu'il peut être en partie observé aujourd'hui pourrait remonter au début du 13e siècle.
Le prieur Laurensi, en 1775, pense que le clocher fut démoli vers 1536, c'est-à-dire peu de temps avant que l'église ne soit entièrement dévastée, aux alentours de 1560. A la Révolution, l'édifice est vendu. Vraisemblablement détruite à ce moment-là, l'abside nous est connue grâce à la description qu'en donne Laurensi. Sa voûte à berceau se termine à l'orient par une belle coquille qui forme le sanctuaire, ornée, en-dehors, d'une corniche, soutenue par des pilastres arrondis qui portent sur une base à différents cordons. Un certain Gaspard Marie y aménage alors un foulon - repris quelques années plus tard par un dénommé Philip ou Phylip - et accole à l'élévation ouest de l'ancienne église une roue hydraulique verticale, qui utilisait une hauteur de chute d'environ 2,5 m. Vers 1834, François Barneaud transforme le foulon en fabrique de draps. C'est sans doute à cette époque que le volume de l'ancienne église a été divisé en hauteur par la construction de deux niveaux de plancher. Un moulin à farine est également aménagé. La fermeture de la fabrique, qui employait une vingtaine d'ouvriers, intervient dans les années 1870. L'agrandissement du bâtiment vers le nord-est est difficile à dater mais il est postérieur à 1854. Après avoir servi de bâtiment agricole à la fin du 19e siècle et dans la première moitié du 20e siècle, le site a été racheté et transformé vers 1950 en habitation. Le premier niveau aménagé dans l'ancienne église est alors cloisonné. Les chapiteaux et le linteau du portail ont été restitués dans le quatrième quart du 20e siècle.
Conservateur du Patrimoine au service régional de l'Inventaire général de Provence-Alpes-Côte d'Azur de 2004 à 2017.