Le prime testimonianze su questa chiesa risalgono a due carte datate 949 e 1011; a quel tempo risulta che la chiesa fosse dedicata a San Giovanni Battista[1].
Nel documento di fondazione della Badia a Elmi del 1034 risulta che la chiesa era già dedicata a Santa Maria Assunta[1]. Il territorio della pieve era spesso conteso tra i conti Cadolingi e i vescovi di Volterra[2], ai quali comunque spettava la giurisdizione. Dalla fine del XII secolo iniziano ad aumentare le notizie su questa pieve, notizie che riferiscono si dell'avanzamento di alcuni lavori sia i nomi dei rettori. Alla base della torre campanaria è posta un'iscrizione che recita: + REMOTA FUIT H PLEBS A M CXC IN ITA FACTA TEMPORE ILD PLE; è la testimonianza che nel 1190 il titolo di una precedente chiesa situata nei pressi venne traslata in questo edificio per volontà dell'allora pievano Ildebrando. Il pievano Ildebrando è stato la figura centrale per la vita di questo edificio tanto che ancora nel 1250 risulta pievano di essa[1]. Durante il suo plebanato vennero eseguiti tutti i lavori della nuova chiesa, i quali durarono almeno 50 anni; la consacrazione della chiesa avvenne nel 1238 come riporta una iscrizione murata in facciata; ma non solo, il pievano ricoprì anche importati ruoli nella vita civile della zona tanto da essere chiamato a far da giudice in diverse controversie scoppiate sul territorio[3]
I successoti di Ildebrando furono Aloigi[4] Valenzo[5], Martino[6] e Dando[7] e sappiano che il complesso plebano comprendeva anche una canonica e un lebbrosario.
Il piviere di Cellole non era particolarmente ricco ma, intorno al 1300, poteva contare su ben 20 chiese suffraganee e gli veniva riconosciuta la stessa autorità del pievano della omonima chiesa di San Gimignano[10]. Nonostante questo riconoscimento, nel 1413 la chiesa veniva officiata soltanto la domenica e l'edificio ecclesiastico versava in pessime condizioni, questo perché la cura della chiesa era affidata ad un membro della famiglia Cavalcanti che se ne disinteressava totalmente[11]. Nel 1502 il capitolo di Cellole vantava pari dignità di quello di San Gimignano ma alla metà del secolo venne unito a quello della Badia a Cerreto[12]. A ciò si oppose il comune di San Gimignano che solo nel 1595 riuscì ad ottenere la restituzione del patronato della badia a Elmi che da allora fu sottoposta ai canonici di San Gimignano.
Nel corso del XVIII secolo la chiesa venne ridefinita in stile barocco e vennero fatti numerosi restauri[1].
Altri lavori si ebbero intorno al 1860 quando il campanile, ormai pericolante, venne abbattuto fino all'altezza del tetto e inoltre vennero modificate le aperture della facciata[1]. Tra il 1878 e il 1879 per volontà dell'allora pievano Lorenzo Pecorai, vennero effettuati dei restauri che portarono all'eliminazione di ogni aggiunta barocca e al rifacimento della facciata e dell'abside[1]. Nel 1922 crollò il tetto della navata sinistra e l'anno successivo venne ricostruito[1].
Negli anni'80 del XX secolo il portale è stato consolidato e la basilica pavimentata
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