Chiesa e convento furono eretti fuori della cinta muraria del castrum medievale, con le caratteristiche tipiche delle costruzioni francescane: semplicità e povertà.
Fin dalle origini nel santuario si conserva una grande tavola dipinta su tela, raffigurante il Crocifisso di scuola giuntesca, ascrivibile alla seconda metà del Duecento.
La fama del santuario e dell'icona del Crocifisso si diffuse in modo particolare dal 6 maggio del 1493. I religiosi francescani erano riuniti nel convento di Longiano per celebrare il Capitolo provinciale della Provincia Bolognese. Per l'occasione, gli abitanti del vicino paese di Gambettola donarono alla comunità una vitella che, portata nel convento, si inginocchiò "in forma di profonda venerazione" di fronte all'immagine del Crocifisso che si trovava sopra una porta laterale della chiesa, prospiciente il chiostro, all'altezza del coro conventuale, porta che non era molto usata. Nonostante i ripetuti colpi di frusta il bovino si mosse dalla posizione di venerazione solo dopo che fu benedetto dal superiore Provinciale.
Il giorno seguente, dopo aver percorso le strade del paese, l'immagine del Crocifisso fu traslata dal chiostro all'interno della chiesa e posta sopra un altare laterale.
Da quella data si susseguirono grazie e miracoli per cui la fama del santuario si diffuse per tutta la regione, e che perdura ancora oggi.
Dal 1755 al 1762 fu ricostruita la chiesa, resasi pericolante a causa di un cedimento del terreno, su disegno dell'architetto Pietro Borboni. In quella occasione l'immagine del Crocifisso fu posta sopra l'abside in una nicchia adatta allo scopo, alla quale si può accedere tramite una doppia rampa di scale, attorno al presbiterio.
Nel 1697, su iniziativa del dottor Baldassarre Manzi prese corpo l'idea di istituire una Confraternita laicale intitolata al SS. Crocifisso, con statuto ed organizzazione proprie. Papa Clemente XI (1700-1721) concesse alla Compagnia una lunga serie di indulgenze che furono rinnovate anche nei secoli successivi. Nel 1828 papa Leone XII, con bolla del 28 novembre dello stesso anno, elevava la Compagnia ad Arciconfraternita.
Una delle attività più rilevanti della Compagnia, oltre all'animazione delle due festività, del 6 maggio, anniversario del prodigio della vitella, e del 26 luglio, solennità liturgica del SS. Crocifisso per ricordare la traslazione sopra l'abside, è stata quella dei pellegrinaggi organizzati al Santuario della Madonna di Loreto nelle Marche (1781); a Cesena (1826); a Rimini (1850) e di nuovo a Cesena nel 1950.
Oltre alle due festività proprie del santuario, legate alla Sacra Immagine del Crocifisso: 6 maggio e 26 luglio, nei venerdì di Quaresima si svolge una celebrazione particolare alla quale partecipano gruppi di pellegrini provenienti da tutta la diocesi di Cesena-Sarsina e dalle altre diocesi della regione Emilia-Romagna. Si commemora la Passione di Cristo secondo l'uso della tradizione francescana (Corda Pia), cui segue la celebrazione eucaristica presieduta da un presule delle varie diocesi della regione. Il pellegrinaggio al Crocifisso è particolarmente sentito anche in occasione della Solennità dell'Epifania e della festa del Ringraziamento (2° domenica di novembre).
