O local sagrado conhecida como a Gruta da Natividade, em que a Igreja da Natividade fica no topo, é hoje associado com a caverna em que o nascimento de Jesus de Nazaré ocorreu. Em 135 d.C., o imperador romano Adriano ordenou a construção de um local de culto para Adônis, o deus grego da beleza e do desejo. Um padre da Igreja, Jerônimo, observou antes de sua morte, em 420 d.C., que a caverna da natividade estava em um ponto consagrado pelos pagãos ao culto de Adônis, e que um bosque agradável foi plantado lá, a fim de acabar com a memória de Jesus Cristo. Embora alguns estudiosos modernos disputem este argumento e insistam que o culto de Adônis originou o santuário e que foram os cristãos que assumiram o controle, a associação do local com o nascimento de Jesus é atestada pelo apologista cristão Justino, o Mártir (c. 100-165 d.C.), que observou em sua obra Diálogo com Trifão que a Sagrada Família (José, Maria e o menino Jesus) se refugiou em uma caverna fora da cidade:

"José pegou seus aposentos em uma determinada caverna perto da aldeia (Belém), e enquanto eles estavam lá Maria deu à luz o Cristo e colocou-o numa manjedoura, e aqui os Magos que vieram da Arábia encontraram ele." (capítulo LXXVIII).

Além disso, o filósofo grego Orígenes de Alexandria (185 d.C. - cerca de 254 d.C.) escreveu a respeito do local:

Em Belém, a caverna é apontado onde nasceu, e a manjedoura na caverna onde ele foi envolto em panos. E o boato é nesses lugares, e entre os estrangeiros da fé, que na verdade Cristo nasceu em uma caverna que é adorada e venerada pelos cristãos. (Contra Celso, livro I, capítulo LI).

A primeira basílica neste local foi iniciada por Helena de Constantinopla, mãe do Imperador Constantino, o Grande. Sob a supervisão do bispo Macário de Jerusalém, a construção começou em 327 e foi concluída em 333. A construção desta igreja primitiva era realizada como parte de um projeto maior após o Primeiro Concílio de Niceia, durante o reinado de Constantino a construir nos locais supostamente relacionados à vida de Jesus Cristo. O projeto da basílica foi centrado em torno de três grandes seções arquitetônicas: uma rotunda octogonal sobre a área onde acredita-se que Jesus de Nazaré nasceu, um átrio quadrado de 45×28 m; e adro duas edificações de 29×28 m. A estrutura foi incendiada e destruída em uma rebelião entre os judeus e os samaritanos na Palestina Prima em 529 ou 556. A basílica que existe atualmente é a que foi reconstruída pelo imperador romano Justiniano I. Quando o persas, comandados por Cosroes II invadiram Jerusalém e a Palestina em 614, não chegaram a destruir a estrutura. Segundo a lenda, seu comandante foi movido pela representação no interior da igreja os Três Reis Magos vestindo roupas persas, e ordenou que o edifício fosse poupado da destruição. Os cruzados no século XI fizeram mais reparos e adições ao edifício durante o Reino de Jerusalém com a permissão e ajuda dada pelo imperador bizantino, e o primeiro rei de Jerusalém que foi coroado na igreja. Ao longo dos anos, o composto foi ampliado e hoje abrange cerca de 12 mil metros quadrados. A igreja foi uma das causas diretas para a participação francesa na Guerra da Crimeia contra a Rússia. Em 2002, Israel invadiu Belém (que fica em território palestino) em busca de militantes muçulmanos. Um grupo deles se refugiou dentro da basílica da Natividade e acabou ficando por lá com um alguns civis por 39 dias – enquanto os israelenses fizeram um cerco à igreja exigindo a rendição dos militantes muçulmanos – que acabaram sendo exilados na Europa e na faixa de Gaza.

Em 2012 foi classificada pela UNESCO como Patrimônio da Humanidade.