Deixant de banda la llegenda de la meravellosa troballa del monjo i el pastor, el seu origen es remunta a mitjan segle XIII (el 1246 consta Miquel Apiara com a rector de l’església d’Escorca, de Lluc i d’Almallutx —tres petites esglésies de tres alqueries del districte sarraí de les Muntanyes—, i és del 1268 un llegat testamentari a favor de l’obra de Santa Maria de Lluc). La primitiva i humil església aviat atragué un gran nombre de pelegrins, i el senyor del lloc, Bernat Sacoma, cedí, el 1322, tota la terra necessària per a fer-hi un alberg o una porxada per a utilitat dels pelegrins.
El 1343 Pere III, amb la deguda indemnització, feu convertir la vella casa de l’alqueria de Lluc en habitació d’un sacerdot i d’un donat, a fi que els pelegrins fossin ben atesos tothora. Més endavant s’eixamplà l’església primitiva, i a la fi del segle XIV l’aspre camí de Caimari a Lluc fou embellit amb set monuments als Set Goigs de Nostra Senyora. A mitjan segle XV era obrer del santuari Tomàs Tomàs, de l’estament militar i fidel servidor d’Alfons el Magnànim, el qual es proposà d’augmentar-ne al màxim el prestigi. Sol·licità que la parròquia, fins aleshores radicada a la solitària església de Sant Pere d’Escorca, fos traslladada a Lluc, i ho aconseguí, i fundà una col·legiata (comprà l’alqueria per dotar-la, i encara hi afegí 500 lliures), que fou aprovada per Calixt III el 1456. Era formada per membres del clericat secular mallorquí, els quals havien de viure en comunitat sota l’obediència a un prior, i s’anomenaren canongnes de la regla de sant Pere.
Amb aquesta institució, el santuari prengué una gran volada. Segons un inventari del 1478, la imatge era col·locada sota un pavelló de seda verda amb estels d’or, sostingut per quatre columnes de marbre, i penjaven davant seu disset llànties d’argent i quatre de cristall de Damasc. El prior Gabriel Vaquer redactà, el 1531, uns nous estatuts, que foren aprovats per Climent VII, i fundà l’escolania dels Nins Blauets perquè cantessin cada dia la missa matinal; en aquesta època fou fundada també la confraria de la Mare de Déu de Lluc, que s’estengué per tots els pobles de Mallorca i per les illes de Menorca i d’Eivissa i arribà a establir-se a l’església del Pilar de València.
El 1622 s’inicià l’església actual, projectada per Jaume Blanquer, que no fou enllestida fins el 1684. El 1685 el militar Pere Antoni Ferragut feu donació al santuari de dues possessions pròximes (Menut i Binifaldó). El santuari arribà a l’apogeu el 1884, quan el bisbe Mateu Jaume, en nom de Lleó XIII, coronà la imatge davant 12.000 persones i la Mare de Déu de Lluc fou proclamada reina i patrona de Mallorca. El 1891 els antics col·legials foren substituïts pels pares missioners dels Sagrats Cors, els quals, des d’aleshores, han procurat constantment la millora del santuari. El 1897 foren expropiats per l’estat els béns del santuari, que foren tornats, en part, el 1903 i el 1922. El 1939 fou restaurada la confraria de la Mare de Déu, que havia decaigut des del començament del segle XIX. La imatge de la Mare de Déu, dreta, amb el nen als braços, és obra dels segles XIV-XV (és esmentada el 1417); té una alçada de 61 cm, i és de pedra fina; des de sempre té el color negre. Fou restaurada a la fi del segle XIX.