Dokładna data budowy Kościoła Matki Boskiej Bolesnej nie jest znana, najstarsze dokumenty, w których wzmiankowano o drewnianym kościółku w Wałbrzychu pochodzą z 1305 r. Według legendy Kościół Matki Boskiej Bolesnej dał początek osadzie wałbrzyskiej. W centralnej części barokowego ołtarza zachowała się Pieta pochodząca z końca XV w. Jest to rzeźba Matki Boskiej Bolesnej – patronki Wałbrzycha.
Według legendy kościół powstał z inicjatywy pobożnego rycerza, który chciał podziękować za uratowanie życia. Rycerz zbudował drewniany kościół w puszczy na wzgórzu i ufundował figurę Matki Boskiej Bolesnej. Rzeźba wciąż znajduje się w kościele i umieszczona jest w centralnej części barokowego ołtarza. Z figurą również wiąże się pewna legenda, podobno swego czasu rzeźba była tak ciężka, że nie zdołał jej unieść żaden złodziej.
Kościół na pewno istniał już w 1305 r., co potwierdzają dokumenty. Ciekawostką jest, że spod ołtarza wypływało źródełko, które podobno miało moc uzdrawiania. Dzięki temu kościół bardzo szybko zyskał popularność jako miejsce cudownych uzdrowień, wówczas odwiedzały go tłumy pielgrzymów.
W XV w. Wałbrzych zyskał prawa miejskie, a liczba jego mieszkańców zaczęła gwałtownie wzrastać. W 1428 r., 150 metrów od Kościoła Matki Boskiej Bolesnej wybudowano Kościół św. Michała, wtedy maryjny kościółek zaczął pełnić funkcję sanktuarium oraz kaplicy pogrzebowej. W czasach Reformacji, gdy Kościół św. Michała przejęli protestanci, maryjny kościółek ponownie pełnił rolę głównej świątyni katolickiej miasta.
W latach 1637-1641 Wałbrzych ogarnęła epidemia dżumy i tyfusu, która zdziesiątkowała ludność miasta. Według podań w czasach zarazy przed rzeźbą Matki Boskiej Bolesnej modlono się dzień i noc, leżano krzyżem, a później dziękowano za ocalenie.
Obecny kształt kościółka maryjnego pochodzi z 1718 r., budowa murowanego kościoła, w miejscu drewnianego, trwała 4 lata. Prace budowlane rozpoczął ksiądz Georg Weizer – kapłan z Polski. W tym czasie zabezpieczono cudowne źródełko i w kościele wybudowano murowaną studzienkę. Źródło wyschło jednak w XIX w.
Sanktuarium Matki Boskiej Bolesnej obecnie jest kościołem pomocniczym parafii Aniołów Stróżów w Wałbrzychu i znajduje się tuż przy wałbrzyskim Rynku, koło Placu Kościelnego. W latach 2000-2003 przeprowadzono gruntowny remont świątyni.