La leggenda narra che il giovane San Pellegrino, figlio di Romano, re di Scozia, rinunciò alla corona, abbandonò la patria ed iniziò un lungo pellegrinaggio attraverso l'Europa, raggiungendo per ispirazione divina la Selva dell'Alpe, posta tra i boschi di faggio della Garfagnana e le vette brulle del Cusna, del Rondinaio e del Cimone. Qui, insieme all'eremita Bianco, San Pellegrino offriva ospitalità ai viandanti che percorrevano l'antica via Bibulca.

Documenti attestano l'esistenza dell'ospizio dal 1110. La sua costruzione per l'assistenza ai viaggiatori che valicavano gli Appennini dovette seguire di poco la fondazione nel 1071 dell'abbazia di Frassinoro. La presenza nella chiesa annessa all'ospizio delle reliquie del santo è attestata per la prima volta in un Breve pontificio del 1255.

La progressiva affermazione del culto di quelle reliquie, che contribuì ad incrementare con generose donazioni dei fedeli il già consistente patrimonio terriero e immobiliare, consentì all'ospizio di sopravvivere alla generale decadenza dell'organizzazione assistenziale che si ebbe nel Trecento.

Chiesa ed ospizio furono riedificati dal rettore Leonello de' Nobili a partire dal 1461. Nei secoli successivi l'ospizio vedrà diminuire la sua importanza come luogo d'assistenza ai pellegrini.

All'interno del santuario, nel presbiterio un'arca marmorea  custodisce quelli che si ritengono i resti di San Pellegrino e San Bianco, opera di un importante artista lucchese della seconda metà del '400, Matteo Civitali

Si segnala una particolarità: il confine fra la regione Emilia-Romagna e la regione Toscana (e fra le province di Modena e Lucca) taglia longitudinalmente il santuario in parti uguali e contrapposte e perciò i santi riposano con il capo e il busto in Emilia e il resto del corpo in Toscana.