1440 ließ Abt Benedikt I. von Seitenstetten auf dem Sonntagberg eine Kapelle erbauen, damit begann die Wallfahrt. Der Zustrom der Wallfahrer war so groß, dass eine größere Kapelle gebaut werden musste, die der Hl. Dreifaltigkeit geweiht war.
1490 wurde eine spätgotische Kirche erbaut
1529 belagerten Türken Wien, einzelne Reitertrupps drangen bis zum Sonntagberg vor, scheiterten jedoch unterhalb der Kirche und mussten abziehen. Daran erinnert die barocke Brunnenkapelle, das „Türkenbründl“.
1614 ließ Abt Kaspar Plautz von Seitenstetten auf einer Kupfertafel eine Darstellung der Dreifaltigkeit (Gnadenstuhl benannt) malen und beim Zeichenstein aufstellen, als Reaktion auf massive protestantische Angriffe aus der Umgebung, die behaupteten die Wallfahrer würden den Zeichenstein anbeten. Diese Dreifaltigkeitstafel befindet sich heute als Gnadenbild im Hochaltar.
1651 wurde eine Dreifaltigkeitsbruderschaft gegründet, wie auch 1675 in der Peterskirche in Wien.
1706-1732 Bau der heutigen Wallfahrtskirche durch Baumeister Jakob Prandtauer. Ab 1718 übernahm diese Aufgabe Joseph Munggenast.
Mitte des 18. Jhdt. Bis zu den Reformen von Kaiser Joseph II. blühte das Wallfahrtsleben.
Mit Mariazell und Maria Taferl gehört der Sonntagberg auch heute noch zu den bedeutendsten Wallfahrtsorten Österreichs.
1964 Anlässlich des Gedenkjahres „350 Jahre Gnadenbild auf dem Sonntagberg“ verlieh Papst Paul VI. der Wallfahrtskirche den Titel „Basilika Minor“
