Il santuario occupa un antico edificio rotondo di costruzione romana risalente al I secolo, ricollegabile alla villa di Domiziano a Castel Gandolfo, che fu anticamente un ninfeo o, secondo altre ipotesi, un tempio. L'edificio venne convertito ad uso cristiano all'epoca di Costantino il Grande o nel periodo tra il IX e l'XI secolo.

Probabilmente gestito nei primi secoli della sua esistenza da religiosi di rito bizantino, fu retto da suore agostiniane dal Trecento fino al 1444 e in seguito venne assegnato ai religiosi girolamini della basilica dei Santi Bonifacio ed Alessio all'Aventino in Roma, che lo tennero fino al 1663, anno in cui il santuario fu acquistato dalla diocesi suburbicaria di Albano allo scopo di installarvi il seminario vescovile. Tra il 1708 ed il 1799 la direzione del seminario e del santuario passò ai padri Scolopi. Da allora, il santuario è di proprietà diocesana ed è aggregato alla parrocchia della basilica cattedrale di San Pancrazio. Oggi è schedato tra i monumenti architettonici tutelati del Lazio.