예수가 탄생한 장소에 대해 고대로부터 내려온 전승은 기독교 호교론자인 성 유스티노 순교자(100년경 - 165년)에 의해 증명되었다. 성 유스티노는 자신의 저서 《트리폰과의 대화》에서 성가정이 마을 밖 동굴로 도망쳐 몸을 숨겼다고 적었다.

성 요셉은 마을 근처에 있는 한 동굴을 숙소로 정하셨다. 동굴 안에 머무는 동안 성모님께서는 예수님을 낳아 구유에 뉘이셨으며, 머나먼 아라비아에서 온 동방박사들이 이곳에 와서 아기 예수님을 알현하였다. (78장)

알렉산드리아의 오리게네스(185년 - 254년)는 다음과 같이 적고 있다.

베들레헴의 동굴은 예수님께서 태어나신 곳으로 전해지고 있으며, 동방에서 온 박사들은 강보에 싸인 아기 예수님이 있던 동굴 안에 들어갔다. 전해지는 이야기에 따라 이곳이야말로 그리스도인들이 경배하며 흠숭하는 예수님께서 태어나신 동굴이라고 참으로 믿어지고 있다. (《켈수스에 반대하며》, 제1권 제1장)

최초로 이 장소에 성당이 세워진 것은 콘스탄티누스 대제의 모후인 성녀 헬레나에 의해서였다. 서기 135년 베들레헴의 동굴 위에 로마의 아도니스 신을 위한 신전이 세워졌다. 로마제국의 하드리아누스 황제의 기독교 말살계획에 따른 것이다. 그러나 이로부터 약200년 후, 역사의 수레바퀴는 돌기를 멈추지 않아 박해받던 기독교도는 종교의 자유를 얻게 되었다. 콘스탄티누스 황제가 기독교를 공인한 후 경건한 기독교 신자였던 황제의 어머니 성헬레나는 성지 순례를 떠났다. 성지에 도착한 후 베들레헴 동굴 위에 세워졌던 아도니스 신전은 헐리고 그 자리에 아름다운 예수 탄생 성당이 건축되었다. 327년 예루살렘의 마카리오스 주교의 감독 아래 공사가 시작되었으며 333년에 끝마쳤다. 최초의 성당은 529년 사마리아의 반란으로 인해 전소되었다.

현재의 성당은 565년 유스티니아누스 1세 황제 때 재건된 것이다. 614년 호스로 2세가 이끈 페르시아의 군대가 이곳을 침범하였으나, 성당은 전혀 파괴되지 않았다. 전설에 따르면, 당시 페르시아군의 지휘관이었던 샤흐르바라즈가 성당 안에 그려진 세 명의 동방박사가 페르시아의 복장을 하고 있는 모습으로 묘사된 것을 보고, 건물을 파괴하지 말 것을 명령했다고 한다. 예루살렘을 무슬림들로부터 탈환한 십자군은 비잔티움 제국의 승인을 얻어 예루살렘 왕국을 건국하고 여러 가지 지원을 받았으며, 초대 예루살렘 왕국의 군주는 이곳 예수 탄생 기념 성당에서 즉위식을 가졌다. 수년 동안 예수 탄생 기념 성당이 있는 지역은 크게 확장되어갔으며, 지금은 대략 12,000평방미터 정도의 면적이 되었다. 예수 탄생 기념 성당은 러시아 제국에 대항했던 크림 전쟁에서 프랑스군이 참전한 직접적인 명분 가운데 하나가 되기도 하였다.

예수 탄생 기념 성당은 현재 로마 가톨릭교회와 그리스 정교회, 아르메니아 사도교회, 이렇게 세 기독교 교파가 공동으로 관리하고 있다.