Si tratta della chiesa più antica della zona, precedente alla stessa parrocchiale di Riese. Qualcuno l'ha fatta risalire all'epoca paleocristiana, ritenendola addirittura derivata da un luogo di culto pagano dedicato a Diana o Giunone.

Secondo la leggenda, invece, fu costruita dopo un evento miracoloso: una pastorella, ritrovatasi in un bosco in fiamme e circondata dai lupi, fu salvata dalla Vergine che espresse la volontà di realizzare un edificio sacro tracciandone la pianta sulle ceneri dell'incendio.

Antica pieve con giurisdizione sulle cappelle circostanti, nel corso del medioevo l'abitato di Cendrole e la sua chiesa persero d'importanza a favore di Riese. Nel 1280, il trasferimento del fonte battesimale nell'attuale parrocchiale di San Matteo fece definitivamente perdere al santuario il ruolo di chiesa matrice.

L'attuale edificio è il risultato della riedificazione in stile neoclassico progettata dall'architetto Ottavio Scotti nel Settecento.

Negli interni si trovano dipinti di varia datazione, dal XVI al XX secolo. Fra tutti, si ricorda una Sant'Eurosia di Noè Bordignon. Sempre all'interno è stato allestito un piccolo museo che espone numerosi oggetti devozionali.