L'origine del santuario risale al 1468 quando il giovane pastore Errodrigo Baltzategiko (in spagnolo: Rodrigo de Baltzategui), mentre stava camminando sul monte Alona, una brulla collina che sovrasta il paese di Oñati, scorse, dentro un cespuglio di biancospino, una piccola statua in pietra recante l'immagine della Vergine. Sorpreso esclamò: «Arantzan Zu?», cioè: "Tu, su questi spini?", da cui il nome di Aranzazu dato al luogo della scoperta e alla sacra immagine[1]. In quel periodo il paese stava attraversando una terribile siccità e, quando si diffuse la notizia della scoperta dell'immagine, gli abitanti pregarono spontaneamente e subito piovve abbondantemente[2]. Come ringraziamento i fedeli costruirono sulla collina un oratorio con pietre a secco, coperto da sterpaglie alla maniera degli ovili.

Anni dopo, grazie alla generosità di Juania de Arriaran, una donna del luogo, vennero edificati un santuario e un monastero. Nel 1511 una comunità di Frati Minori Francescani prese in custodia il santuario. Nel 1522 Sant'Ignazio, in viaggio da Loyola a Navarrete, vi sostò una notte[3].

Nel corso della sua lunga storia il santuario fu distrutto due volte da incendi e una terza volta manu militari. Il primo incendio avvenne nel 1553; il secondo si verificò nel 1622. Infine, il 18 agosto 1834, durante la prima guerra carlista, il generale José Ramón Rodil y Campillo ordinò la distruzione del complesso monastico e del santuario. Arantzazu rimase abbandonato per undici anni. Nel 1845 iniziarono i lavori di ricostruzione e, il 19 novembre 1846, l'immagine della Beata Vergine, messa al sicuro a Oñati, fu riportata nel santuario. Nel 1878 i monaci francescani ritornarono a vivere nel monastero; da allora operarono costantemente per aumentare la fama e l'importanza del santuario.

L'influenza di Arantzazu nella vita religiosa e culturale di tutto il Paese Basco è innegabile. Il 6 giugno 1886 l'immagine fu incoronata con decreto della Santa Sede. Il 23 gennaio 1918 Benedetto XV autorizzò la proclamazione di Nostra Signora di Arantzazu quale Patrona principale della Regione Basca[1].

Nel 1939, all'indomani della guerra civile, i monaci videro la necessità di edificare una nuova basilica al fine di migliorare e abbellire il santuario. Lanciarono pertanto un concorso d'idee. La seconda guerra mondiale interruppe il progetto, che poté essere ripreso alla fine degli anni quaranta.

I vincitori del concorso furono due giovani architetti: Francisco Javier Sáenz de Oiza (1918-2000) e Luis Laorga[4]. Essi chiamarono a collaborare alcuni pregiati artisti:

La costruzione iniziò il 9 settembre 1950 e fu completata tre anni dopo. La base della chiesa è a forma di croce, con abside semicircolare. Vi sono cappelle ai lati dell'ampia navata e tre torri all'esterno. Nel 1962 il pittore Lucio Muñoz (1929-1998) realizzò i dipinti absidali coprendo una superficie di 600 metri quadrati, con l'aiuto dello scultore Julio López e del pittore Joaquín Ramos. Nel 1968 le statue degli Apostoli furono collocate sopra il portone d'ingresso. Jorge Oteiza aveva iniziato a scolpire le statue nel 1953, ma l'anno dopo il vescovo gli aveva ordinato di sospendere il lavoro perché il suo stile non concordava con le sculture classiche usate nelle chiese[4]. In pratica durante i primi 15 anni la facciata della chiesa rimase spoglia.

Nell'estate del 1969, in occasione del V centenario dell'apparizione della Vergine, il complesso strutturale fu inaugurato e la nuova basilica fu consacrata. Rimase da decorare la cripta. Néstor Basterretxea la dipinse negli anni ottanta con una serie di affreschi molto modernisti e di grande impatto, in particolare il Cristo risorto che domina l'altare.

Tra il 2002 e il 2005 sono state attuate delle modifiche sulla spianata, con la costruzione di un nuovo edificio di servizio e di nuove strutture.