En la década del noventa se realizó la instalación del primer museo del santuario, siguiendo los criterios tradicionales: mostrar las piezas acumuladas en el santuario, principalmente los “ex votos” (objetos recibidos principalmente por promesas y gestos devocionales de los peregrinos). En el año 2000, por motivos de los trabajos de ampliación y restauración del santuario, como de las malas condiciones del lugar, se tomó la decisión de cerrar la sala de exhibición.

En el desarrollo de la segunda etapa del proyecto de remodelación, ampliación y restauración del santuario, se concibió la idea de instalar las dependencias de un nuevo museo en el mismo santuario. Para ello, el año 2002, se escogió hacerlo en el subsuelo, con el fin de no aumentar la superficie de construcción en el exterior, que pudiera quitar espacio para la danza de los Bailes Religiosos. Con los aportes de un pre diseño de la arquitecta Alejandra Pérez, se realizó el proyecto a cargo de don Marco Loyola.

Tras diversas dificultades de financiamiento, se logró que a través de la Ley de donaciones culturales se pudiera concluir la obra gruesa el año 2010; realizar las obras de terminaciones el año 2012; y en el 2014 la continuación del proyecto global con la implementación del museo. La empresa donante por la Ley de Donaciones culturales fue la minera Doña Inés de Collahuasi, SCM.