L'antic terme de pagus Tollonensis apareix citat per primera vegada en un document de l'any 941. Ben aviat l'indret apareixerà vinculat al temple de Santa Maria, que amb el temps es convertí en el més important de la Cerdanya.

Amb el temps passà a ser una canònica, tot i que no està clar en quin moment es va produir aquesta transformació. Algunes fonts afirmen que podria haver estat a finals del segle X, mentre que altres fonts es mostren més prudents i estableixen l'existència de la canònica cap a meitat del segle XI. Es durant el segle XI i XII quan la canònica rep nombroses donacions, que fan que augmenti el seu poder a tota la plana ceretana.

En el segle XII el nucli de Talló va perdre protagonisme, quan Nuno Sanç va fundar l'any 1225 la vila de Bellver. Aquesta ciutat fortificada va anar adquirint molt poder fins al punt d'absorbir el nucli de Talló. Això no va significar la pèrdua de poder de la canònica, si no tot el contrari, ja que en 1299 el bisbe d'Urgell, Guillem de Montcada, va convertir Santa Maria de Talló en la seu de l'ardiaconat de la Cerdanya. Des d'aquest moment, els rectors de Talló ocuparen el càrrec d'ardiaca de Cerdanya.

A partir del segle XVI la comunitat es trasllada a Bellver. El progressiu distanciament dels membres de la canònica amb el temple va anar augmentant al llarg dels segles, potenciat per les diferents incursions franceses. Finalment en 1842 es va extingir la comunitat i l'església va passar a ser parròquia rural i santuari marià.

Les seves dimensions corresponen a la importància que va tenir en el passat. La seva estructura correspon a dues etapes constructives diferents. La primera correspon al segle XI i la forma la capçalera, formada per un absis semicircular. Està decorat externament per un senzill fris d'arcs cecs d'inspiració llombarda. Tres finestres de doble esqueixada il·luminen el seu interior, que està cobert amb una volta de quart d'esfera.

A continuació trobem un presbiteri força ampli i més alt que l'absis i la nau. Està cobert amb una volta de canó.

La nau va ser construïda posteriorment, entre els segles XII i XIII. Té planta trapezoïdal i la seva fàbrica és de millor qualitat, amb carreus força ben escairats. La coberta és de factura moderna, ja que es va haver de refer després de la Guerra Civil. Està dividida en quatre trams per arcs torals, que descansen en pilars adossats als murs laterals. Aquests estan reforçats per contraforts semicirculars, poc habituals en el romànic català.

Les finestres, que il·luminen la nau, estan situades en els murs laterals, en l'espai entre els contraforts. Són de mig punt i doble esqueixada.

La façana es troba en el mur oest. Protegida per un porxo de factura posterior, es troba la porta d'accés.

Està formada per un senzill arc de mig punt adovellat, emmarcat per un arc peraltat de dovelles primes i llargues. Encara conserva bona part de la ferramenta amb que estava decorada.

En la part superior de la façana trobem un gran ull de bou, flanquejat per dues finestres de mig punt, força allargades. Corona el mur un senzill campanar de cadireta de dos ulls.

El campanar de torre, adossat al costat nord del presbiteri. És de plnata quadrada i va ser construït en el segle XVII.

En l'extrem oposat del presbiteri es troba la sagristia, que es comunicava amb l'exterior amb una porta de mig punt adovellada, actualment cegada.

Una porta de característiques similars, també cegada, es troba en el mur sud del temple. En tots dos casos comunicaven amb les dependències de la canònica, segurament amb un claustre o pati.

En l'interior del temple es venera un còpia de la imatge de la Mare de Déu de Talló. Es tracta d'una talla romànica del segle XIII, que actualment es conserva a la parròquia de Bellver de Cerdanya. La Verge té al Nen a la seva falda, que ens beneeix amb la seva mà dreta.