Il Santuario, oltre a essere meta devozionale, specialmente in occasione delle feste annuali dedicate alla Vergine dei Martiri, è sede parrocchiale.
L'area dove sorge l'attuale complesso, situata nel rione Logotza, fu donata ai francescani dal fonnese don Stefano Melis.Padre Giorgio d'Acillara ne prese possesso il 16 aprile 1610 e intorno al 1633 si conclusero i lavori di costruzione del convento e della chiesa, intitolata alla Santissima Trinità. Nel 1702, per volontà del padre guardiano Pacifico Guiso Pirella,furono avviati i lavori di costruzione della basilica, dedicata a Sancta Maria ad Martyres, e del santuario sottostante, intitolato ai santi Efisio e Gregorio Magno, considerati gli evangelizzatori della Barbagia (mentre in realtà si interessò dei popoli barbaricini soltanto papa Gregorio I). Vi operarono maestranze lombarde, tra cui il capomastro Giuseppe Quallio e lo stuccatore Giovanni Battista Corbellini, mentre la decorazione pittorica di gusto vernacolare è opera di Pietro Antonio e Gregorio Are, artisti locali. Entro il 1759 fu completato l'oratorio di San Michele, a pianta centrale, ispirato a modelli lombardi e decorato da Gregorio Are. Dopo l'unità d'Italia, in seguito alle leggi eversive il convento ospitò la caserma, la pretura e il municipio, per essere riconsegnato ai frati nel 1960.