No está claro el lugar que ocupó la primitiva capilla de Santa Ana, aunque Julio Segura Miranda, canónigo archivero de la S.I. Catedral la sitúa contigua al Coro, en la dedicada hoy a Nuestra Señora de la Purificación o Virgen del Pajarico.

El 21 de junio de 1676 la primitiva torre de la Catedral, que se alzaba en el ángulo que da al Palacio Decanal, se desplomó. Como consecuencia del derrumbamiento, el Cabildo, decidió erigir a sus expensas la actual, en el lado opuesto, La nueva edificación ofrecía en su parte baja y en el interior del templo, un hueco suficiente (actual capilla de San Antonio) para convertirlo en la capilla de la Patrona.

Al construirse la nueva torre, la disposición de este lado de la nave catedralicia era la siguiente: hueco para la Capilla de Santa Ana, capilla de San Miguel, Sacristía de Capellanes y Capilla de Santa Isabel.

Al pueblo de Tudela le pareció pobre la nueva capilla, de escasa amplitud y lóbrega, por lo que en 1713 se acordó la construcción de "una capilla con mayor sumptuosidad ocupando la capilla de Señor San Miguel que poseía don Francisco de Murgutio Aybar y Pasquier...habiendo hecho cesión a favor de la ciudad y también el M.I Cabildo para el mismo fin el sitio que ocupaba la sacristía de capellanes, y en ambos se ha ideado una capilla de grande magnificencia y ornato tomando mucha porción de la plaza pública..." Sobre la reja de la actual capilla se puede ver por ello una imagen de San Miguel, en recuerdo de la que, con esta advocación, hizo donación la familia Murgutio,

En el mes de mayo de 1716 se iniciaron las obras para lo que la ciudad entregó, de momento , 2000 ducados y el Cabildo de la Colegial 900 ducados, ya que no disponía de fondos, a causa de las sumas gastadas en el levantamiento de la nueva torre. También los tudelanos presentes y ausentes contribuyeron en la medida de sus fuerzas a la realización del proyecto.

Vencidas todas las dificultades económicas que surgieron a lo largo del tiempo, la capilla terminada, excepto en su parte artística, fue inaugurada solemnemente el día 26 de julio de 1725.

Pocos años después se dio por rematada, resultando suntuosa; pero el retablo, demasiado humilde, no se correspondía con el resto de la capilla, por lo que el 5 de julio de 1737 los superintendentes eclesiásticos, señores Arguedas y Arnedo, advirtieron la desproporción y precisaron construir un nuevo retablo. Tras estudiar varias propuestas, apreciaron el que por su forma y riqueza mejor les pareció, construyendo además los zócalos de la capilla con piedras extraídas de las canteras de Calatorao, con permiso del Cabildo Metropolitano del Pilar de Zaragoza, propietario de las mismas.

Según acta probatoria del escribano Diego León Marco, en el mes de mayo de 1753 queda finalizado el retablo, así como los zócalos de la capilla.

En 1854 se restauró y pintó, cubriendo de cal la magnifica policromía de los relieves y superficies. En 1947, la capilla exige una restauración urgentísima ya que su estado es ruinoso. La Congregación de Santa Ana contribuye con todos los fondos de que dispone, que ascienden a unas 50.000 pesetas. El Ayuntamiento, como patrono, aporta 100.000 pesetas. Mediante esta intervención se devuelve la capilla a su estado originario.

En la primera mitad de la decada de los 80 se advirtió que las humedades estaban deteriorando seriamente las paredes, los cimientos y el ornato artístico. Los técnicos indicaron que era preciso iniciar obras de saneamiento con urgencia y tras estudir varios proyectos, se puso manos a la obra. Los trabajos se desarrollaron en dos fases: en un primer momento se retiraron los mármoles de la capilla y se inició un saneamiento a fondo para, en una segunda etapa, recuperar la parte deteriorada de la ornamentación artística.