La antigüedad del uso del enclave, un lugar donde tras una ocupación tardoantigua y de cultura romanizada romana (s. IV-VI), se elevará un templo en época pre-románica y un segundo templo de pleno románico unos 200 años después, ha quedado confirmada con los hallazgos en las obras y excavaciones arqueológicas realizadas en el interior del Santuario, en la segunda mitad del siglo XX.
La talla en madera de una imagen románica de la Virgen existente (s. XII) informa sobre la presencia de un templo y el culto a la Virgen. En el lugar donde fue encontrada la imagen, sobre una encina, se edificó el templo y, como en otros lugares, surge una leyenda en la que el Señor de Aiala disputa a Artziniega el derecho a levantar la iglesia y una intervención divina decide la cuestión a favor de Artziniega. En 1404, el Papa Benedicto XIII establece una Bula en apoyo de las importantes reparaciones a realizar en el Santuario, cuya construcción actual finaliza en 1498.
El templo, a caballo entre el gótico y el renacimiento, sería dotado más delante de capillas (la del Cristo y la actual sacristía (s. XVI-XVII), de una girola ciega o deambulatorio que envuelve la base del ábside (s. XVII), de un pórtico (s. XVIII) y una ampliación de la casa hospedería, hoy casa cural (s- XVIII-XIX).
Posteriormente en 1882 se remata y alza un poco el campanario, cambiando su cuerpo de campanas. También se dota de un nuevo órgano, y en 1941, tras un vendaval que destrozó el tejado, fue sustituida en éste la teja por pizarra.
El interior, distribuido en tres naves, contiene varias obras de gran valor artístico, como el Retablo mayor, de estilo gótico hispano-flamenco; la renacentista Capilla del Cristo, fundada en 1608 por Pedro de Oribe Salazar; el Retablo de la Virgen de Guadalupe y su aparición, pintado en tablas y donado desde México por un indiano natural de Artziniega; las pinturas del Juicio Final (s.XVI) y de las bóvedas. De gran valor son las pinturas del Juicio, el cenotafio de Cristóbal de La Cámara y el mueble-sagrario exento.
La Influencia de su devoción se extendió a los pueblos limítrofes de Alava, Bizkaia, Burgos y Cantabria; de la que dan fe los testimonios existentes de las peregrinaciones, milagros, exvotos y hasta en el registro de buques, donde consta el nombre de Ntra. Sra. de la Encina en 6 navíos de Bilbao durante el s. XVII. En 1954 fue coronada la Virgen de la Encina en un acto multitudinario con asistencia de las autoridades de los territorios mencionados.