Situat a prop d'un precipici rocós i excavat quasi totalment a la roca, el santuari es va construir on es diu de l'aparició de la Mare de Déu a una noia de Campolemisi cap a l'any 1000. La imatge sagrada, esbossada en una estàtua de fusta de salze, encara existent i objecte de devoció, és venerada amb el nom de Madonna della Penna. El mes de maig està dedicat tradicionalment a la Mare de Déu i compta amb la presència de moltes persones que pugen a l'Ermita en pelegrinatge. La roca viva encara és visible al presbiteri i a la sagristia, mentre que l'església primitiva ha sofert diverses fases d'ampliació i enriquiment de les estructures i vestidures a mesura que la fama i veneració de la Mare de Déu de la Gruta va créixer a partir del segle XIV. A principis del segle XVIII es va construir la doble columnata de la façana i es va ampliar la gruta per acollir la sagristia. Els ermitans de Calomini se'n van ocupar durant cinc segles, fins al 1868, i ara la custòdia està encarregada als pares caputxins de Lucca.
