Según algunos rumores, se cree que el primer "oratorio" en el lugar que hoy ocupa el Santuario se construyó ya en 1161. Cuando San Carlos acudió en visita pastoral en 1579, encontró el edificio de la primera iglesia de Santa Valeria en un estado lamentable, por lo que ordenó derribar parte del pórtico y construir en la parte restante una sacristía para albergar el ajuar eclesiástico. El cardenal Federico Borromeo no llevó a cabo la obra, pero de nuevo fue en vano, debido a la llegada del hambre y posteriormente de la peste en 1630.
No fue hasta mediados de siglo cuando se derribó el viejo edificio para construir un templo más digno, tras lo cual se inició la construcción de un nuevo santuario, que se inauguró tres años después, en 1653. Más tarde, en 1839, el interior de la iglesia fue embellecido con dos frescos de Luigi Sabatelli.
El campanario, visible desde lejos y equipado con tres campanas, fue añadido en 1881; en 1932, la antigua iglesia fue demolida y se comenzó a construir el santuario tal y como lo vemos hoy: una cruz latina de tres naves y una superficie total de unos mil metros cuadrados. En el altar mayor, en un tríptico de madera dorada, se encuentra la imagen original de la Virgen María.
El Santuario es una de las paradas del Camino de San Agustín.
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