El origen de este santuario está en el apedreo de una cruz de madera colocada por pastores en el Puerto del Gamo, hecho que ocurrió el Viernes Santo de marzo de 1488. Al conocerse el apedreo fue bajada con solemnidad a la Villa del Casar de Palomero, donde le rindieron culto, empezaron a pedirle favores y a ocurrir milagros por su intercesión. Esto hizo que la devoción a esta Cruz Bendita se extendiera rápidamente por toda la comarca.
La construcción del edificio actual, que sustituyó a una ermita pequeña construida sobre lo que fue una pequeña sinagoga, se inicia a principios del siglo XVII. En 1714 se termina la capilla mayor y en 1771 el remate de la cúpula del crucero. En el año 1804 fue reedificado, ampliado y también se finalizó el atrio de piedra; pero no se construyeron las dos torres que estaban planteadas.
Destaca este templo por su robusta construcción de mampostería de pizarra, reforzada por poderosos contrafuertes y también por sus notables proporciones. Es de planta de cruz latina, de nave única de tres tramos separados, amplios y planos; con arcos fajones de medio punto que descargan en ménsulas de dibujo geométricos sencillos. Dicho espacio se cubre mediante bóveda de cañón con lunetos construidos de ladrillo y lucido, imitando cantería.
En el camarín se conserva la Santa Cruz Bendita detrás de una cristalera situada en el centro del retablo del altar mayor; está enfundada en un relicario de plata, adornado con piedras semipreciosas para facilitar su culto y conservación. Se saca en procesión por las calles de la Villa en las fiestas principales.
