Lo storico Muzio Febonio nell'opera Historiae Marsorum riporta che la chiesa originaria di San Bartolomeo venne edificata in località Pantano intorno al IX-X secolo forse sui resti di un preesistente tempio dedicato con ogni probabilità a Giove Statore che lo storico abate marsicano attribuì invece al dio Giano.

 

La chiesa di piccole dimensioni, probabilmente a unica navata, venne inizialmente dedicata a san Salvatore e poi a sant'Antonio abate o, secondo altre fonti, a san Pietro o a san Clemente. Ricostruita nel 1156 è citata, insieme alla chiesa di Santa Maria in Vico, a quella di Sant'Andrea e alle chiese di Santa Maria, di San Giovanni e di San Pietro in Aquaria (monte Salviano), nella bolla di Papa Clemente III del 1188 in cui appare dedicata con chiarezza a san Bartolomeo apostolo. Nel XII secolo ricevette dal re di Sicilia Guglielmo II il titolo di cappella reale.

 

L'edificio religioso è stato caratterizzato nel corso dei secoli da distruzioni e riedificazioni. Nel 1349 la chiesa crollò a seguito di un grave terremoto che colpì l'area dell'Italia centrale.

 

La chiesa, chiusa al culto per circa due secoli, venne ricostruita ed elevata nel 1572 a collegiata. Ad essa, nella seconda metà del XVI secolo, furono concesse dal vescovo dei Marsi Giambattista Milanese, con il placet di Marcantonio II Colonna, le rendite delle altre chiese del territorio: badia di Sant'Andrea, cappella di Sant'Andrea, San Basilio, San Calistro, San Francesco (San Giovanni), San Leonardo, San Paolo, San Nicola, Santa Maria delle Cese, Santa Maria in Vico, San Simone e chiesa della Trinità.

 

Nel corso del Seicento gli storici Lucio Camarra il giovane e Muzio Febonio descrissero un'iscrizione latina collocata nella chiesa avezzanese dedicata a Traiano in cui gli abitanti di Alba Fucens resero omaggio all'imperatore romano che nel II secolo fece avviare i lavori di ripristino dell'emissario claudiano e dell'Incile del Fucino tanto da garantire il necessario prosciugamento delle acque lacustri favorendo le attività agricole. L'autenticità dell'epigrafe è stata messa in dubbio da altri studiosi in quanto, poco oltre un secolo dopo la prima citazione di Camarra, risultò già introvabile.

 

L'ultima ricostruzione precedente al terremoto del 1915 è databile tra il XVI e il XVIII secolo. La chiesa in fase di ricostruzione e completamento venne infatti danneggiata da altre due scosse sismiche quella del 1654 e quella del 1703.

 

La struttura a tre navate era situata nel centro della cittadina di Avezzano. La sua facciata, progettata dall'architetto Baldi con successive semplificazioni ad opera dell'ingegnere Massari, si presentava suddivisa in tre parti verticali da elementi di lesene ed era sormontata dalla statua raffigurante san Bartolomeo apostolo. I quadri di maggior pregio erano quelli che adornavano gli altari che furono attribuiti alla scuola di Carlo Maratta e a Guido Reni. Lateralmente il campanile a base quadrata venne innalzato nel 1781. Internamente le campate erano divise da alcuni pilastri e si trovavano ben undici altari alcuni dei quali finemente decorati e sormontati da dipinti. L'abside aveva una forma semicircolare.

 

La chiesa divenne per volontà del cardinale Marcantonio Colonna un punto di riferimento delle suore trinitarie la cui scuola venne edificata accanto all'edificio religioso. Il cardinale, infatti, affidò alla nascente comunità religiosa l'educazione delle ragazze meno abbienti del suo feudo di Avezzano. La fondatrice dell'istituto religioso fu madre Maria Teresa Cucchiari che in questa collegiata operò per circa 40 anni, dal 1762 fino alla sua morte. Venne sepolta il 10 giugno 1801 all'interno dell'edificio religioso nel sepolcro dei sacerdoti semplici.

 

Prima della quasi completa distruzione in seguito al terremoto del 13 gennaio 1915 la chiesa venne chiusa per problemi statici, gli ultimi interventi di consolidamento vennero portati avanti dall'ingegnere Luigi Renzi. Della collegiata rimase in piedi soltanto la base del campanile mentre alcune parti pericolanti della facciata furono demolite dal Genio civile. Due capitelli, l'acquasantiera e la campana realizzata dalla "Premiata fabbrica da orologi da torre Michelangelo Canonico" sono esposti all'Aia dei Musei di Avezzano.

 

La nuova chiesa di San Bartolomeo elevata a cattedrale della diocesi dei Marsi venne ricostruita delocalizzando l'edificio nel contemporaneo centro urbano di Avezzano e fu consacrata nel 1942.

 

Nel 1965, cinquanta anni dopo il terremoto, il Genio civile realizzò il monumento commemorativo situato nel largo di San Bartolomeo ricostruendo una piccola parte del campanile.

 

Nel 2004 ebbero inizio gli scavi archeologici nell'area delle fondamenta dove nel corso degli anni sono emersi i sepolcri collettivi, il sepolcro dei sacerdoti, l'ossario e i resti dell'edificio relativi alle diverse fasi imperiale, medievale e rinascimentale dell'ex collegiata.

 

Nel corso dei lavori di scavo per la realizzazione del parco archeologico sono emerse nel 2017 sette tombe risalenti al periodo aragonese, nel tempo in cui probabilmente il Regno di Napoli fu guidato da Ferrante d'Aragona.

 

Nel 2018 sono state recuperate le ossa dal sacello numero 7 dei sacerdoti semplici che, dopo articolate analisi, sono state attribuite a Maria Teresa Cucchiari.