Łysa Góra jest prastarym miejscem kultu religijnego. W 1006 roku według tradycji miał tu powstać klasztor benedyktyński. Tradycja przypisuje fundację klasztoru królowi Bolesławowi Chrobremu. Współcześnie przyjmuje się, iż założenie opactwa miało miejsce na pocz. XII w. z fundacji księcia Bolesława III Krzywoustego i komesa Wojsława. Władca ten miał także wznieść jednonawowy romański kościół pw. Trójcy Świętej.
Około 1305 r. książę Władysław Łokietek ofiarował klasztorowi relikwie Drzewa Krzyża Świętego. Opactwo rozbudowywali królowie Kazimierz Wielki i Władysław Jagiełło. Później był wielokrotnie kompleks był przebudowywany. Obecną świątynie wzniesiono w latach 1784-1789.
Do kościoła zamówiono obrazy Franciszka Smuglewicza, stypendysty króla Stanisława Augusta. Nowa świątynia została konsekrowana w 1806 r. przez bpa A. Gawrońskiego. W 1819 r. opactwo benedyktynów zostało skasowane. Zabudowania klasztorne przeznaczono na miejsce przebywania księży demerytów, (1849-1870) oraz więzienie (1883-1914, 1918-1939). W latach 1920-1923 na Święty Krzyż powrócili benedyktyni. Od 1936 r. opactwo przejęło Zgromadzenie Misjonarzy Oblatów Maryi Niepokalanej.
Kompleks klasztorny został częściowo zniszczony podczas II wojny światowej. Restauracja kościoła i klasztoru miała miejsce w okresie powojennym i trwa do dnia dzisiejszego, m.in. w latach 2013-2014 odbudowano wieżę kościelną, zburzoną przez Austriaków w 1914 r.
W czerwcu 2013 r. świątynia pw. Trójcy Świętej została wyniesiona do godności bazyliki mniejszej. Kościół jest późnobarokowy, murowany wg projektu Józefa Karsznickiego. Posiada rzut prostokąta – jest budowlą jednonawową, trójprzęsłową, bez transeptu. W niszach elewacji zewnętrznej znajdują się rzeźby z XVII w., pochodzące prawdopodobnie z wcześniejszego kościoła. Wnętrze świątyni ma charakter klasycystyczny. Ołtarz główny jest w stylu klasycystycznym z obrazem św. Trójcy pędzla Franciszka Smuglewicza. W kaplicy Oleśnickich przechowywana jest znaczna cząstka relikwii Krzyża Świętego. Umieszczone są one w XVII-wiecznym relikwiarzu ufundowanym przez opata Bogusława Radoszewskiego.
W ostatnich latach do świętokrzyskiego Sanktuarium Krzyża Świętego przybywa corocznie około 300 tysięcy pielgrzymów. Sanktuarium Krzyża Świętego, to szczytowy punkt Świętokrzyskiej Drogi Świętego Jakuba, wiodącej z Warszawy do Kotuszowa, na Małopolskiej Drodze Świętego Jakuba. Posługujący na Świętym Krzyżu Oblaci Maryi Niepokalanej, to zgromadzenie zakonne powstałe ponad 100 lat temu we Francji. Patronką zgromadzenia jest Maryja Niepokalana. Otwarta na Ducha Świętego, która jako pokorna służebnica całkowicie poświęciła samą siebie osobie i dziełu Zbawiciela.
