Le 22 mars 1888, dans la région de Bologne en Italie, deux bergères, Fabiana Cecchino (1853-1939) et Serafina Giovanna Valentino (1854-1931), voient une lumière jaillir d’une fissure au creux d’un rocher, puis aussitôt après, la « Vierge apparaître au centre de cet éclat », sous l’aspect de Notre Dame des Douleurs. Le 5 avril 1888, Diamante Cecchino « voit » également, puis Teodora Venditti et ses trois filles à partir du 24 avril suivant. Viennent s’ajouter à cette liste le comte Acquaderni de Bologne et plusieurs ecclésiastiques : Mgr Macarone l’évêque du diocèse ; l’archiprêtre de Boiano et celui de Castelpetroso, deux communes voisines.
L’apparition se montre diversement : en larmes, en oraison, etc. Certains reconnaissent en elle Notre Dame du Carmel, d’autres la Mater Dolorosa, accompagnée de l’archange saint Michel et des saints Antoine de Padoue et Sébastien.
Le 16 mai 1888, un prêtre allègue une apparition du Christ en sang avec sa Mère. Des guérisons sont constatées, dont celle d’un enfant muet de naissance. Dès lors des milliers de personnes se rendent sur place.
Le clergé diocésain est partagé. L’évêque du lieu alerte le pape Léon XIII et crée une commission d’enquête. Le 23 février 1889, il déclare : « J’ai vécu une apparition de la Vierge. Elle m’est apparue sous l’aspect de Notre Dame des Douleurs. » Le prélat désire faire bâtir une chapelle au « lieu saint » des apparitions. Le 28 septembre 1890, il pose la première pierre du sanctuaire, en présence de 30 000 fidèles.
En 1931, le nouvel évêque du diocèse fonde un orphelinat près du sanctuaire. En 1947, est réalisée la « via matris », le parcours de la Vierge pendant les apparitions, avec sept édicules en l’honneur des sept douleurs de Marie.
Le 6 décembre 1973, le pape Paul VI déclare la Vierge de Castelpetroso patronne de la région. En 1993, le sanctuaire est confié aux frères et aux sœurs franciscains de l’Immaculée. Le 19 mars 1995, Jean-Paul II s’est rendu sur les lieux.