Selon une tradition, un « oratoire en bois » ou une « humble chapelle » se trouvait à l'emplacement de l'église actuelle dès le VIe siècle. De même, une tour remontant à l'époque romaine, portant le nom de Tour de César, aurait été bâtie à cet endroit et l'église s'élèverait sur les bases de celle-ci. Toutefois, c'est seulement au XIe siècle qu'il est fait mention, pour la première fois, de l'église de Torcé-en-Vallée. En effet, vers 1080, est citée l'ecclesia de Torciaco dans le cartulaire de l'abbaye de Marmoutier. Dans ce document, elle est donnée par Burchard de Crapon, fils de Faucher de Crapon, aux moines de Marmoutier. Cette donation est confirmée par l'évêque du Mans Hildebert de Lavardin. Une question subsiste quant à l'origine de cette donation puisque, comme pour le prieuré, il apparaît ensuite, qu'avant 1100, un seigneur local nommé Albéric fait don des églises, du cimetières, des dîmes et d'une pièce de terre aux moines de Marmoutier.

Dès le Moyen Âge, la dévotion à la Vierge est particulièrement importante à Torcé-en-Vallée. Ainsi, très tôt, l'église devient un lieu de pèlerinage qui se développe avec la progression du culte marial. L'église romane, datant sans doute de la fin du XIe siècle ou du début du XIIe siècle, s'ouvre par le portail en plein cintre, toujours visible dans la tour-clocher. Elle était composée d'une longue nef de 8,50 m. La tour-clocher est construite au cours des XIIIe et XIVe siècles, en pleine période de Guerre de Cent ans. Ainsi, selon une tradition orale, la tour aurait été fortifiée dans le but de servir de lieu de défense aux troupes et aux habitants. Cela est relativement cohérent avec l'importance des contreforts et la taille des ouvertures présentes sur celle-ci. Seules les croisées à meneaux percées dans la partie supérieure, la plus récente, donnent un aspect moins défensif à la tour.

Au XVIe siècle, l'église est largement transformée. Le chœur avec abside en cul-de-four est entièrement reconstruit et laisse place à une abside à cinq pans précédée de deux travées dont l'une est complétée de deux chapelles formant transept. Il semble que ce soit à cette époque que la flèche située au-dessus de la première travée est élevée et que la Vierge en plomb est installée en épis de faîtage. La chapelle sud est bâtie avant 1514, date à laquelle le prieur de Torcé, fr. Louis Cerclet, cède à la fabrique une parcelle du terrain du prieuré pour faire construire « de nouvel une chapelle », moyennant une rente annuelle de vingt sols. Ainsi, cela sous-entend qu'il existe déjà une chapelle au moment de l'édification de la chapelle nord. Toutefois, le style architectural de la chapelle sud et sa charpente semblent indiquer qu'elle a été bâtie peu de temps avant la seconde. L'acte de mai 1514 précise également que la fabrique dispose de l'ensemble de la portion de terrain qui longe l'église. Le bas-côté nord a donc sans doute été ajouté peu de temps après la construction de la chapelle. En parallèle, les travaux dans le chœur se poursuivent et sont l'occasion de mettre en place un ensemble de verrières consacrées à l'iconographie mariale dont la disposition d'origine est encore incertaine : l'Annonciation dans la baie d'axe, l'Adoration des mages à gauche, la Vierge à l'Enfant à droite, l'Assomption et la Crucifixion (baie sud) l'une en face de l'autre dans la première travée. Néanmoins, un doute persiste quant à l'emplacement de la verrière de la Crucifixion. Selon certaines sources, elle aurait été créée pour la baie d'axe. Celle-ci est réalisée en 1520, comme l'atteste un marché passé entre Charles de Coesmes, seigneur de Lucé et de Bonnétable, et Jean Mauclerc, vitrier au Mans. Il semblerait donc que le chœur soit terminé à cette date. Un retable en pierre, dont le haut-relief de la Dormition de la Vierge est encore présent sur l'actuel maître-autel, est ajouté en 1531. La statue de la Vierge à l'Enfant, située rue Notre-Dame, faisait également partie de cet ensemble. Le troisième gros chantier du XVIe siècle est l'ajout de bas-côtés. Pour cela, les murs latéraux de la nef sont percés et six colonnes, de 0,65 m de diamètre et 4,50 m de haut, viennent les remplacer afin de soutenir la voûte, la charpente et le toit. Si le bas-côté nord a vraisemblablement été bâti après la chapelle nord, la date de construction du bas-côté sud n'est pas connue. Ce dernier a néanmoins été ajouté après la construction de la chapelle sud comme le montre les chaînages d'angle de celle-ci. Les deux bas-côtés sont donc sans doute à peu près contemporains mais semblent avoir été bâtis en plusieurs campagnes de travaux. Le bas-côté sud, notamment, présente des ouvertures de différentes époques pouvant dater des XIVe, XVe et XVIe siècles. Certaines se trouvaient peut-être sur l'église d'origine et ont été reprises dans la nouvelle construction. Les Guerres de Religion ont également marqué l'architecture de l'église comme en témoignent des fenêtre de tir et d'imposantes grilles. Le calvaire, aujourd'hui présent dans le bas-coté nord, semble avoir été installé sur une poutre de gloire durant cette période d'importantes transformations comme la Vierge à l'Enfant en terre cuite dans la niche au-dessus du portail, l'orgue, le maître-autel (dont le haut-relief de la Dormition conservé aujourd’hui date de 1531) et toute une série de statues.

L'église Notre-Dame subit moins de remaniements au cours des XVIIe et XVIIIe siècles, jusqu'à la Révolution. De nouvelles ouvertures remplacent les anciennes au niveau du bas-côté nord au XVIIe siècle. En 1638, deux retables sont mis en place dans les chapelles et en 1655, une nouvelle chapelle dédiée à Saint-Joseph est ajoutée au sud du chœur. A cette occasion, le vitrail de la Crucifixion est déplacé dans celle-ci. Puis en 1723, trois cloches sont installées dans la tour-clocher et bénites le 30 juin par Julien Desportes, curé de Beaufay. Les cloches sont refondues en 1774 par Michel Lorrain avant d'être de nouveau bénites le 27 avril 1778 et en 1785. Une petite sacristie portant d'ailleurs l’appellation d'« arrière sacristie », vient compléter celle située dans l'abside, derrière le retable. Elle est construite au sud du chœur à côté de la chapelle Saint-Joseph. Enfin, un bénitier en marbre est ajouté et le retable nord est orné d'un tableau illustrant la scène de Saint Charles Borromée donnant la confession aux pestiférés de Milan. Il semble également que ce soit à cette époque que la fabrique acquière la croix de procession dont le bâton est orné de fleurs de Lys qui, selon la tradition, aurait été offerte par Louis XIII lors de son passage à Torcé-en-Vallée. A la Révolution, deux cloches sont fondues et l'église est vendue à Laurent Toutain libraire au Mans, mais ce dernier se désiste.

Dès le début du XIXe siècle, d’importantes réparations sont effectuées. En effet, la couverture en ardoise est en mauvais état ce qui engendre une dégradation du lambris des voûtes et la flèche, ayant été touchée par la foudre, est sur le point de s'effondrer. Plusieurs projets sont envisagés pour cette dernière, toutefois elle est reconstruite à l'identique. En 1848, les voûtes lambrissées sont toujours particulièrement détériorées. Il est alors projeté de toutes les remplacer par des voûtes en maçonneries dans le style de celles du chœur et des chapelles. Cela n'aboutira jamais au niveau des bas-côtés, néanmoins dans la nef, une nouvelle voûte en brique enduite au plâtre est construite. Dans cette optique, des moises en chêne sont installées à chaque ferme pour remplacer les entraits trop bas. Les travaux sont réalisés par l'entrepreneur Lusson et sous la direction de l'abbé Tournesac, inspecteur des Monuments Historiques. La réception des travaux a lieu le 11 avril 1848. En 1853, les fonts baptismaux sont installés sous la tribune de l'orgue entre le portail de la nef et le bas-côté sud. Puis, en 1855, l'église ayant une toute petite sacristie, située derrière le maître-autel dans l'abside, il est décidé de rassembler l' « arrière sacristie » et la chapelle Saint-Joseph afin de créer l'actuelle sacristie. Le chantier, supervisé par A. Tessier architecte diocésain au Mans, engendre un réaménagement total du chœur. Le retable est détruit mais certaines parties de celui-ci sont conservées et placées à d'autres endroits dans l'église et la commune : une statue de Vierge est installée contre le pilier du bas-côté sud, le haut-relief de la Dormition fera partie du futur maître-autel et une autre statue de Vierge à l'Enfant est déplacée rue Notre-Dame. Une intervention sur les vitraux est également menée : l'Annonciation et l'Adoration des mages sont refaites sur le même thème (remplacement de l'Adoration des mages par une Adoration des bergers) en conservant les tympans anciens et l'Assomption est détruite. Tandis que le vitrail de la Crucifixion est déplacé à son emplacement actuel. Entre la nouvelle sacristie et le chœur, un mur est élevé et celui-ci est percé d'une porte permettant un accès direct entre les deux. Le maître-autel actuel intégrant le haut-relief de la Dormition et une statue de Vierge à l'Enfant du XVIe siècle est mis en place en 1863. La porte du bas-côté sud étant considérée comme insuffisante et mal placée, en 1874, elle est bouchée et deux portes sont percées dans les bas-côtés à l'ouest. Les travaux sont réalisés par l'entrepreneur Royer de Bonnétable sous la direction de l'architecte Rodier. En même temps, la porte en plein cintre donnant sur le cimetière est bouchée. En 1899, une horloge est ajoutée sur le toit du bas-côté sud, au niveau de la façade ouest, par Gourdin, le constructeur d'horloges publiques situé à Mayet. Au cours du XIXe siècle, plusieurs vitraux du chœur et du transept sont remplacés. L'iconographie de la Vierge est toujours très présente mais les saints sont aussi représentés. Leur fabrication est confiée à plusieurs maîtres-verriers. Les nouveaux vitraux du chœur sont exécutés par l'atelier Léopold Lobin de Tours, par le maître-verrier manceau puis parisien Antoine Lusson et par son successeur Lefebvre.

En 1922, deux nouvelles cloches réalisées par la fonderie de cloches A l'accord parfait, G&L Bollée d'Orléans viennent compléter celle de 1774 afin de reconstituer l'ancienne sonnerie. Les nouvelles cloches sont bénies en 1923. Divers travaux de toiture sont effectués au cours du XXe siècle, le vitrail de la Crucifixion est restauré par les ateliers AVICE en 1995 et plusieurs verrières de la nef sont remplacées par le maître-verrier Albert Echivard et l'artiste Julien Chappée. L'église Notre-Dame est classée par arrêté le 7 janvier 2003. Enfin, la statue de la Vierge en terre cuite située dans la niche au-dessus du portail est restaurée, déplacée dans le chœur et remplacée par une nouvelle réalisée par la céramiste Lucie Becuwe de La Bosse.