Recogiendo toda la tradición del antiguo ermitorio de Nuestra Señora del Lluch, los fieles alzireños deciden construir un nuevo templo para la Virgen, en el primer tercio del siglo. En 1922, durante la predicación de la novena de la Virgen, el escolapio padre Pompilio Tortajada, rector del Colegio de las Escuelas Pías, anima a los alzireños a construir un nuevo templo digno de la Patrona, que fuese orgullo de la ciudad y de la comarca. En 1923 se constituye la primera Junta de Obras, pero ese mismo año la ciudad sufre una importantísima riada y por diversas circunstancias no pueden iniciarse las obras hasta 1927, con la bendición y colocación de la Primera Piedra, por el Arzobispo, Monseñor Melo y Alcalde.

En 1929 el Arzobispado de Valencia decreta la interparroquialidad del Santuario. La implicación de todos, con suscripciones, actos benéficos, donativos y mucha ilusión, consigue que en poco tiempo las obras avancen a buen ritmo, hasta los años treinta, cuando por diversas causas, principalmente políticas, estas se ralentizan.

El 30 de Agosto de 1935, de forma precipitada, se efectúa el traslado de la imagen al nuevo templo, todavía sin terminar y en 1936, es destruida, víctima de la persecución religiosa del momento. En el periodo de la guerra civil, el nuevo templo es confiscado y utilizado como polvorín.

En 1939 es recuperado su uso religioso, realizándose algunas obras necesarias para la entronización de la nueva imagen de la Virgen del Lluch, aunque se paraliza la culminación del templo, dadas las especiales circunstancias económicas de la postguerra, para dar preferencia a la restauración de las parroquias alzireñas que habían sufrido especialmente los daños de la contienda.

Transcurrido este periodo, en el que se realizan pequeñas intervenciones, en 1956 es reorganizada la Junta de Obras, que se integra en la Asociación de la Virgen, transformada en ese año en cofradía. A partir de esta fecha, es la cofradía de la Virgen la que asume la responsabilidad de alcanzar el fin de las obras en el menor tiempo posible y los trabajos, no cesarán. Se efectúa el enlucido interior, se colocan las primeras vidrieras, las solería... Poco a poco se va mejorando la obra.

En 1965, en conmemoración del XXV Aniversario de la restauración al culto de la nueva imagen de la Virgen, la Penitenciaría Apostólica concede al Santuario la gracia de un Año Santo Mariano. Previamente la Cofradía adquiere el compromiso de la finalización de la obra exterior, con la construcción del campanario y la instalación de las campanas. En el marco del Año Jubilar, el Arzobispo de Valencia, Monseñor Olaechea y Loizaga, oficia la Coronación Pontificia de la imagen de Nuestra Señora del Lluch, en la Plaza Mayor de Alzira.

En 1976 se bendice el nuevo camarín para la imagen y es consagrada la nueva Mesa-Altar. En 1982, con motivo de las inundaciones visitan el Santuario SS.MM. los Reyes de España y S.S. el Papa Juan Pablo II. En 1985 el Arzobispo de Valencia Monseñor Roca Cabanellas eleva la categoría jurídica del Santuario erigiéndolo en Capellanía independiente y nombra a su primer capellán. En 1991 se aprueban “ad experimentum” los primeros Estatutos del Santuario y tres años después, las autoridades municipales instalan un nuevo alumbrado exterior en el emblemático edificio.

El 27 de Febrero de 1990, a consecuencia del gran número de cirios ofrecidos por los devotos, se produce un gran incendio en el templo, que causa innumerables daños materiales. La rápida intervención de los cofrades, hizo posible, que el 25 de Marzo, fuese retransmitida desde el Santuario, la celebración de la Santa Misa, por Radio Televisión Española, a través de su programa religioso “El Día del Señor”.

A partir de 1997 comienza un periodo de incremento del culto en el Santuario y se da el empuje definitivo a la finalización de la ornamentación interior del templo, recientemente finalizada. El año 2007, coincidiendo con el XXV Aniversario de la visita de los monarcas, el Rey Juan Carlos I concede al Santuario el título de Real. Anteriormente ya había aceptado el nombramiento de Cofrade de Honor y había concedido a la cofradía también, el título de Real.

A partir de esta fecha, se procede con mayor intensidad, a la finalización interior del templo: presbiterio, capillas laterales, pintura, iluminación, megafonía, campanario y relój electrónico, solería y zócalo de mármol, puertas, cancela de acceso, nuevos elementos ornamentales, etc.

El 18 de Diciembre de 2008, la Basílica Papal de Santa María la Mayor de Roma establece especiales vínculos de afinidad con el Real Santuario, con la concesión de la gracia de la Indulgencia Plenaria, en las fechas señaladas, otorgada por la Penitenciaría Apostólica, ratificándose así, esta Iglesia, como centro mariano de peregrinaciones diocesanas, quedando unida de forma especial, con la Iglesia de Roma y con el Santo Padre. Además de la visita de S.S. el Papa Juan Pablo II y de los Reyes de España, Don Juan Carlos I y Doña Sofía, Nuestra Señora del Lluch ha recibido las visitas de los Cardenales García-Gasco, Carles y Tarancón; los Arzobispos Valentinos Melo, Olaechea, García Lahiguera, Roca y Osoro; Obispos de otras diócesis y todos los Auxiliares de Valencia de época reciente, otras personalidades eclesiásticas de ámbito nacional; miembros del gobierno y de la nobleza, prestigiosos militares, destacadas personalidades de la sociedad civil, entre otros, que han querido orar ante la imagen de la Virgen o disfrutar de la incomparable belleza del recinto y de su enclave geográfico.

En la actualidad, el Templo Patronal sirve a las Parroquias de Alzira y a la Iglesia Valentina, para vigilias, encuentros de oración y similares, convirtiéndose el Real Santuario de la Santísima Virgen del Lluch, en un verdadero Centro de Espiritualidad para la Archidiócesis de Valencia, dada su idónea ubicación en el centro de la provincia de Valencia, con importantes vías de comunicación hasta la ciudad, al estar construido en el marco incomparable de la montaña del Salvador, Balcón natural de la Ribera y mirador del Xuquer, desde donde se divisan los pueblos de la comarca hasta el mar Mediterráneo.