La chiesa, intitolata a santa Maria Assunta, sorgeva nella città romana di Luna nei pressi del porto e dell'antico foro. Non più esistente dal XIII secolo circa, è stata individuata da campagne di scavo ancora in corso come edificata su una domus romana della fine dell'epoca repubblicana tra la fine del IV e l'inizio del V secolo, cioè nel periodo in cui si ritiene venisse fondata la diocesi di Luni. Citata per la prima volta in un documento dell'879 di Carlomanno (re d'Italia), fino al XII secolo subì vari restauri e rifacimenti prima di essere abbandonata assieme alla città, all'inizio del Duecento.

Dell'antica Cattedrale rimangono pochi resti, in una zona detta Cittadella in cui si trovava il complesso episcopale: palazzo dei Vescovi, edifici canonicali, Battistero e, appunto, la Cattedrale. I resti archeologici rivelano varie fasi, che si possono così raggruppare:
Basilica paleocristiana: fu eretta nella seconda metà del V secolo, usando anche materiale di recupero da edifici di epoca pagana. Luni probabilmente era centro della diocesi e la basilica fu la prima sede del vescovo: si ha notizia che nel 465 il vescovo Felice partecipa al Concilio Romano ed il vescovo Vittore partecipa ai sinodi dal 501 al 504.
La Chiesa bizantina: l'edificio originario venne modificato intorno a metà del VI secolo, al termine della guerra greco-gotica e la creazione della provincia Marittima Italorum di cui Luni è centro. In questa fase la Basilica forse è intitolata al nome di Cristo.
La Chiesa carolingia: secondo alcune fonti nel 643 il re longobardo Rotari distrusse le mura di Luni, che divenne semplice villaggio.

Tuttavia la Basilica sembra essere stata risparmiata, anzi durante la dominazione longobarda i vescovi di Luni ebbero una certa autonomia politica e amministrativa. Il vescovo Tomas partecipò al Concilio Lateranense nel 649 ed il vescovo Severus sottoscrisse gli atti del Concilio di Costantinopoli del 680. Probabilmente in questa fase, la Basilica fu dedicata a S. Maria.
La Chiesa romanica: a questa fase appartengono le ultime modifiche apportate alla costruzione originaria, i cui resti sono giunti a noi.

La chiesa è famosa per la reliquia del sangue di Gesù Cristo, raccolto durante la crocefissione. La reliquia, portata a Luni nel 742 e in seguito qui trasferita, è custodita nella cappella "del preziosissimo sangue" a destra dell'altare maggiore, dedicata a San Tommaso.

L'opera è stata fatta da San Tommaso del Caravaggio.

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