Da molti decenni vi è tra i campioni del ciclismo (soprattutto italiani, ma non solo) l'usanza di donare propri cimeli al Santuario del Ghisallo: tra questi vi sono ad esempio le biciclette usate da Bartali, Coppi e Merckx nelle loro vittorie al Tour de France, la bici speciale usata da Moser per il record dell'ora, e diverse maglie rosa, gialle e iridate.

Negli anni novanta questi cimeli erano ormai tanto numerosi da non trovare più posto nella piccola chiesetta: è stato perciò ideato il progetto di un Museo del ciclismo, da erigere a fianco del santuario. A presiedere il comitato per la realizzazione del museo è stato chiamato Fiorenzo Magni. Il museo è stato inaugurato il 14 ottobre 2006, in occasione del Giro di Lombardia, con una cerimonia alla quale hanno partecipato diversi campioni del presente e del passato.

Il museo si sviluppa su tre piani e comprende anche una raccolta multimediale di materiale sul ciclismo. I cimeli più importanti continuano comunque ad essere esposti nella chiesa del santuario. All'interno del museo è esposta la più grande collezione di maglie rosa al mondo grazie al progetto Giro for Ghisallo, che ha permesso di recuperare ed esporre nella sala principale più di 50 maglie rosa originali, dagli anni '30 ad oggi. Nel piazzale del santuario c'è la statua di due grandi ciclisti: Coppi e Bartali; nel 2011 vi è stato posto anche il busto di Binda.