Il Santuario fu costruito sui resti di un’antica chiesa bizantina nel 1625 dal senato palermitano attorno alla grotta quasi alla cima di Monte Pellegrino dove furono ritrovate le ossa della santa che portate in processione per le vie della città la liberarono dalla terribile epidemia di peste del 1624.
 
La facciata secentesca addossata alla roccia è sovrastata da un’edicola contenente una statua in marmo della santa.
Varcato il raffinato portale si entra in un vestibolo a tre arcate con colonne tortili di alabastro cui segue un atrio a cielo aperto attraversato il quale si arriva al cuore del santuario costituito dalla grotta profonda quasi 25 metri e protetta da una cancellata in ferro collocata nel ‘700.
Suggestiva la teca in vetro che contiene la statua di Santa Rosalia rivestita con una lamina dorata davanti alla quale si inginocchiano in preghiera migliaia di fedeli. Nel 1748 la statua fu impreziosita da un manto d’oro voluto dal sovrano Carlo III. La teca è protetta da un baldacchino in pietra nobile, metallo lavorato e marmo donato dal Senato di Palermo nel 1683. La volta della grotta  è percorsa da una serie di canaline in metallo che servono a raccogliere l’acqua che esce dalla roccia.
All’interno del santuario c’è una notevole collezione di ex-voto d’oro e d’argento appesi sulle pareti rocciose rappresentanti le parti del corpo umano guarite per intercessione della Santa. Ogni anno il 4 settembre (anniversario della morte della Santuzza) i palermitani fanno l’acchianata cioè la salita a piedi su Monte Pellegrino per raggiungere il santuario percorrendo tutto l’itinerario della strada vecchia (circa 7 km). Qualcuno sale a piedi nudi o in ginocchio secondo la promessa fatta alla Santa per grazia ricevuta.
Il Santuario di Santa Rosalia e Monte Pellegrino sono un tutt’uno. Monte Pellegrino è sempre stato considerato il monte sacro di Palermo sin dai tempi dei primi insediamenti punici. Persino oggi Santa Rosalia e Monte Pellegrino sono culto di una  profonda devozione anche per le comunità non cattoliche presenti a Palermo. La comunità Tamil per esempio suole recarsi tutte le domeniche al santuario e non è raro vedere il 4 settembre durante l’acchianata diversi fedeli indù salire la strada vecchia a piedi nudi in segno di devozione.
 
Goethe guardando Monte Pellegrino lo definì il promontorio più bello del mondo. Dal 1996 è diventato Riserva Naturale Orientata entrando a far parte a pieno titolo delle bellezze paesaggistiche e naturalistiche della Sicilia.