Um den katholischen Kindern von Oberwinterthur den langen Weg ins Stadtzentrum nach St. Peter und Paul zu ersparen, erteilten die Geistlichen ab 1901 vor Ort Religionsunterricht. 1907 kaufte die katholische Kirche Winterthur den «Römerhof», ein Restaurant mit genügend Umland für den späteren Bau einer Kirche. Im Saal des «Römerhofs» fand denn auch am 1. Dezember 1907, dem 1. Adventssonntag, die erste Messfeier seit der Reformation in Oberwinterthur statt. Mit Hilfe des Diözesanen Kultusvereins von Chur und Eigenleistungen wurden in den folgenden Jahren Umbauten an der Liegenschaft vorgenommen, um den Bedürfnissen der entstehenden Pfarrei gerecht zu werden. Den Saal des Restaurants gestaltete man 1919 zu einer Kapelle um, die schon am 16. Februar fertiggebaut war und geweiht wurde. Noch im gleichen Jahr ernannte Bischof Georg Schmid von Grüneck Oberwinterthur zum Pfarrrektorat (Vorstufe einer eigentlichen Pfarrei).
1925 widerfuhr der jungen Gemeinde ein herber Rückschlag: Ein verheerender Brand zerstörte den «Römerhof», einzig die Kapelle konnte gerettet werden. Mitten in der Wirtschaftskrise musste zunächst ein Pfarrhaus gebaut und, da die Kapelle für die Gemeinde viel zu klein war, auch noch Geld für den Bau der heutigen Kirche gesammelt werden. Durch das unermüdliche Engagement der Pfarreiangehörigen sowie durch Spenden von Katholik:innen aus nah und fern konnte die Kirche St. Marien 1935/1936 nach Plänen von Otto Linder errichtet werden. Neben dem Gotteshaus entstand schliesslich auch der für das Pfarreileben dringend benötigte Saal mit über 200 Sitzplätzen sowie eine Wohnung für die Ordensschwestern, die in der Gemeinde karitativ tätig waren.
Am 3. Mai 1936 benedizierte Bischof Laurenz Matthias Vincenz das Gotteshaus als Maria-Hilf-Kirche. Die eigentliche Weihe erfolgte nach einer ersten Renovation am 28. April 1957 durch Bischof Christian Caminada, als auch die Schulden getilgt waren. Am 19. Mai desselben Jahres konnte das alte Glöcklein, mit dem man sich 21 Jahre lang hatte begnügen müssen, durch ein vierstimmiges Geläut ersetzt werden. Es stammt aus der Giesserei Karl Czudnochowsky und ist auf die Glocken der reformierten Kirche St. Arbogast abgestimmt. 1970 erhob der Bischof St. Marien zur eigenständigen Pfarrei und trennte sie von St. Peter und Paul ab. 1976 erfolgte eine lnnenrenovation, wobei die ursprüngliche Innenausstattung entfernt und die heutige Kuhn-Orgel mit 19 Registern eingebaut wurde. Am 19. Dezember 1976 wurde das neugestaltete Gotteshaus geweiht. 2003/2004 erfolgte durch Walter Hollenstein und Andreas Bertet eine Erneuerung des Pfarreizentrums.
Seit 2013 betreibt St. Marien im Auftrag der katholischen Kirchgemeinde Winterthur im Neubaugebiet Neuhegi den sogenannten «Anhaltspunkt», ein Begegnungszentrum, welches die Seelsorge bei den zahlreichen Zugezogenen sicherstellen soll.