Tot in de 14e eeuw stond hier een romaanse kerk, die vanaf de jaren 1350 werd vervangen door het huidige gebouw. De bouw van de nieuwe kerk vorderde heel langzaam.
Aan het koor werd gewerkt van ca. 1350 tot ca. 1450. Het gewelf werd pas in 1470 voltooid, dank zij een gift van hertog Karel de Stoute, die hier op bedevaart kwam op 8 februari 1466. In 1503 werd een aanvang gemaakt met de toren waarvan het benedenste gewelf pas in 1527 werd voltooid. Omstreeks 1520 werd de grote beuk overwelfd. Hiertoe schonk Keizer Karel hout uit Zoniën. Vandaar dat zijn wapenschild in het gewelf is aangebracht.

De sacristie dateert uit de 17e eeuw en werd aangepast in 1775. In 1866 werd de algemene restauratie aangevat en in 1891 werd de slanke, gekroonde spits voltooid. De spits draagt een hertogelijke kroon, waarmee verwezen wordt naar de rol die verscheidene Brabantse hertogen hebben gespeeld in het tot stand komen van dit heiligdom.

De jongste restauratie dateert van 1983.

De kerk van Alsemberg is opgetrokken in laatgotische stijl en bezit alle kenmerken van de Brabantse architectuur uit de 14e eeuw, o.a. de puntgevels boven de zijbeuken en de pilaarkapitelen met koolbladmotief.

Behalve het romaans devotiebeeld bezit de kerk nog verscheidene andere kunstwerken, waaronder een smeedijzeren koorhekken (1770), barokke biechtstoelen en een preekstoel (einde 18e eeuw) van Jan Van Geel. Verschillende schilderijen, waaronder een aantal de geschiedenis van de bedevaartplaats verhalen, zijn omstreeks 1645 geschilderd door Antoon Sallaerts. Deze Brusselse kunstenaar schilderde ook negen van de 16 portretten die de sacristie versieren en de weldoeners van de kerk afbeelden.

Heden ten dage is de kerk van Alsemberg nog steeds een druk bezocht bedevaartsoord.

Een uitgebreide fotoreeks van dit monument vindt u op de website van het Koninklijk Instituut voor Kunstpatrimonium www.kikirpa.be