Le origini dell'edificio di culto sono incerte. Nel 1579 il vescovo di Milano Carlo Borromeo decise di far abbattere un piccolo santuario in rovina e di far costruire un nuovo santuario che venne inaugurato solo nel 1653. Nell' Ottocento furono apportate varie modifiche al monumento dotandolo di un organo nuovo, abbellendolo con affreschi, restaurando l'altare maggiore e ampliandolo con una cappella laterale offerta a San Vitale e a Santa Valeria. Tra la fine del XIX secolo e gli inizi del XX secolo vennero progettati vari interventi di ampliamento del monumento, ma solo nel 1922 i lavori ebbero inizio e nel 1930 il cardinale Alfredo Ildefonso consacrò l'edificio. Nel 1965 fu costruito l'imponente campanile che si configura come uno dei più alti in Italia visti i suoi 81 metri di altezza.
All'interno è presente un concerto di sei campane. Il Santuario della Madonna di Santa Valeria presenta una pianta a croce latina con tre navate.
