El origen del Santuario se remonta a época medieval. Fueron caballeros santiaguistas los que trajeron la devoción a Santa Eulalia hasta Totana, ya que estas tierras fueron donadas por Alfonso X el Sabio en 1257 a la Orden Militar de Santiago y a su maestre Pelay Pérez Correa, personaje vinculado con la ciudad de Mérida.

Desde finales del siglo XV sabemos que un ermitaño cuidaba de la ermita y su huerta. Era entonces «...una nave de buenas tapias e cubierta de buena madera e terrado, de buenas puertas e cerradura de hierro...»

Fue a partir de 1573 cuando el Concejo mandó llevar a cabo las obras necesarias para «... principiar la iglesia y ermita de Nuestra Señora Santa Olalla», aprovechando para ello la antigua edificación. Concluidas las obras del templo para finales del siglo XVI, se realizaron entonces actuaciones constructivas que tuvieron como objetivo crear la infraestructura complementaria a este lugar sagrado.