Se ne hanno notizie certe a partire dal 1477 quando, per volere di Taddea Pico Malaspina, moglie del Marchese Giacomo I Malaspina, vi furono trasferiti i titoli e i beni della chiesa extra-urbana dei santi Remigio e Pancrazio di Turano.

Il carattere gentilizio della chiesa conventuale, evidente fin dalla fondazione nella seconda metà del XV secolo, ribadito dalla sua destinazione a sepolcreto della famiglia, fu confermato dall'impegno profuso dai Cybo per la sua ristrutturazione nel corso del Seicento. Per il tempio, quasi totalmente ricostruito tra il 1660 e il 1670, l'architetto Giovanni Francesco Bergamini e il figlio Alessandro Bergamini progettarono la sistemazione e l'arredo dell'area presbiteriale realizzando un monumentale altare maggiore, concepito come fastosa quinta scenografica al centro del presbiterio, i due altari del transetto, per i quali il Cardinale commissionò attorno al 1684 a Luigi Garzi le due tele con l'Immacolata e con la Trinità in gloria e santi, e il rivestimento marmoreo delle pareti e del pavimento.

Il duca Alberico II stabilì quindi che la nuova cappella, da costruire dietro l'altare destro del transetto, diventasse il mausoleo della casata. I lavori della cappella Cybo-Malaspina, il cui progetto fu inizialmente affidato all'architetto della corte di Massa, Giovanni Francesco Bergamini, iniziarono intorno al 1687; in seguito, al progetto pose mano Domenico Martinelli. Il Martinelli contribuì a fare della cappella Cybo un'opera barocca aggiornata secondo i dettami più avanzati della Roma del tempo, disegnando un altare (destinato a contenere l'affresco di una Madonna con il Bambino del Pinturicchio, in precedenza collocato nella cappella Cybo della basilica di Santa Maria del Popolo a Roma), le porte e le sovrastanti tribune, realizzate con raffinate soluzioni artistiche, con grande uso di linee concave e con la messa in opera di marmi policromi di varia provenienza.

Nella cappella vennero sepolti Filippo Alfonso Gonzaga (†1728), ultimo conte di Novellara e Ricciarda Gonzaga (†1768), figlia di Camillo III Gonzaga.

Nel 1821 in seguito all'erezione della Diocesi di Massa l'antica chiesa di San Francesco ne divenne la cattedrale. Nel 1936, su progetto di Cesario Fellini, fu eretta la facciata marmorea.

All'ingresso dell'edificio sono riportati i nomi dei cittadini massesi che combatterono in Spagna durante la guerra civile, senza distinzione di schieramento politico.