Sur la colline de Bonaria, les tombes de la nécropole romaine et de la première communauté chrétienne de Cagliari ont été fouillées. Au sud de la basilique se trouve le sanctuaire construit en 1324-1325, la plus ancienne architecture gothique-catalane de Sardaigne.
À la fin du XVIIe siècle, le père Bernardo de Cariñena, mercenaire du couvent de Bonaria, est devenu archevêque de Cagliari. C'est lui qui a souhaité la construction d'une nouvelle église, à ajouter à l'ancien sanctuaire du XIVe siècle. Les travaux ont débuté en 1704 mais n'ont pas dépassé les étapes préliminaires.
Lorsque la Sardaigne est passée au duché de Savoie, un nouveau projet a été confié à l'ingénieur militaire piémontais Antonio Felice De Vincenti. Il a également réalisé un précieux modèle en bois, qui existe encore aujourd'hui, considéré comme le témoignage le plus ancien et le plus organique du baroque en Sardaigne. De Vincenti mêle des éléments piémontais, en particulier guariniens, et espagnols, appris en Sicile et en Sardaigne. Le projet comprenait une structure à trois nefs, un transept peu prononcé, des dômes au-dessus du presbytère et, à l'intersection avec le transept, un pronaos d'entrée. Bien qu'il n'ait jamais été construit, il a servi d'exemple à l'architecture insulaire ultérieure.
En 1742, le pronaos a été construit. Entre 1764 et 1765, le marmoraro Squinardi de Cagliari a créé les colonnes jumelles et les chapiteaux qui marquent l'allée. Les travaux ont ensuite été achevés par les charpentiers Denergy et Dejoannis. En 1778, un autre ingénieur piémontais, Giuseppe Viana, a apporté des modifications importantes au projet, qui n'ont jamais non plus été réalisées.
En raison du manque de fonds et de l'opposition du gouvernement savoyard, les travaux ont été définitivement suspendus en 1804 ; en 1866, le couvent et la zone de l'église érigée ont été confisqués par la ville de Cagliari et le reste a été transféré au domaine de l'État.
Ce n'est qu'à l'occasion des travaux qui ont perturbé la structure du sanctuaire, entre 1869 et 1875, que le projet d'achèvement de l'église a repris. En 1907, le pape Pie X a proclamé la Vierge de Bonaria patronne Maxima de la Sardaigne ; l'événement a certainement dû accélérer la réouverture d'un chantier aujourd'hui envahi par la végétation et aux structures dangereuses en raison de sa longue exposition aux éléments. Les travaux ont repris en 1910 sous la direction de l'ingénieur Simonetti, qui a décidé de réaliser les couvertures des nefs et du dôme à l'intersection avec le transept en béton armé ; c'est l'un des premiers exemples en Sardaigne de l'utilisation du nouveau matériau, dont la conception et l'exécution ont été réalisées par la société Porcheddu à Turin. L'église a été consacrée, même si elle n'est pas complètement achevée, en 1926 et a reçu le titre de basilique mineure par Pie XI.
De formes classiques froides, il présente une structure en croix latine. La façade est divisée en deux ordres : celui du bas, avec trois cadres encadrés par des paires de pilastres, mène au pronaos d'entrée, divisé en trois travées ; dans celui du haut, s'ouvre la loge des bénédictions surmontée d'un tympan avec les armoiries des mercenaires.
L'intérieur, à trois nefs et à large transept, compte dix chapelles, quatre de chaque côté dans les bas-côtés et deux dans le transept, sur les côtés du presbytère. L'allée centrale possède une voûte en berceau ponctuée de sous-arcs, les nefs latérales présentent des voûtes surmontées de coupoles octogonales. À l'intersection avec le transept, se trouve un dôme sur un tambour octogonal, terminé par une lanterne.
Le bombardement de 1943 a provoqué la chute des stucs dorés des voûtes et du dôme, des cadres et du plâtre peint. Les premiers travaux de restauration, réalisés par les ingénieurs civils immédiatement après la guerre, ont été suivis, à partir de 1958, par ceux qui ont donné au bâtiment son aspect actuel, dirigés par l'architecte péruvienne Gina Baldracchini. La dégradation des structures en béton armé, causée par l'humidité et l'air saumâtre, a nécessité de nouveaux travaux de restauration directe, entre 1983 et 1998, par les architectes Jolao Farci et Marco Atzeni.

Histoire des études
L'église fait l'objet d'un bref résumé dans le volume de Salvatore Naitza sur l'architecture puriste de la fin du XVIIe siècle (1992).

Bibliographie
Le sanctuaire restauré de Notre-Dame de Bonaria, Cagliari, Società Poligra Sarda, 1960 ;
A. Cavallari Murat, « Giuseppe Viana, architecte savoyard en Sardaigne », dans Revue technique de la société d'ingénierie et d'architectes de Turin, n.s., 14, n. 12, décembre 1960 ;
A. Cavallari Murat, « Investigations sur l'expansion de l'architecture piémontaise du XVIIIe siècle en Sardaigne », dans Bulletin du Centre d'études pour l'histoire de l'architecture, 17, 1961 ; P. Leo-G.
Melchionna, sanctuaire de Notre-Dame de Bonaria, Cagliari, Société polygraphique sarde, 1970 ;
M. Pintus, « Sanctuaire, basilique et couvent Notre-Dame de Bonaria », quartiers historiques de Cagliari. Villanova, Cinisello Balsamo, Silvana, 1991 ;
S. Naitza, L'architecture de la fin du XVIIe siècle au classicisme puriste. Nuoro, Ilisso, 1992, feuille 15 ;
A. Sanna, Premières applications du béton armé en Sardaigne. Les œuvres de Cagliari de l'ingénieur G.A. Porcheddu, Cagliari, CUEC/DIARCH, 2003 ;
I. Farci, « maîtres marbriers ligures et lombards actifs en Sardaigne du milieu du XVIIIe siècle aux premières décennies du XIXe siècle », dans Quaderni oristanesi, 51-52, 2004.