Il Santuario nasce con molta probabilità nei decenni successivi al martirio di Donato Vescovo d'Arezzo (7 agosto del 304) In origine il Santuario fu edificato come piccola abbazia benedettina dipendente da Monte cassino: il più antico documento in cui viene citato è del 778 d.C. , anno in cui Ildebrando duca di Spoleto donava la chiesa ed il territorio di San Donato al Monastero di San Vincenzo Al Volturno. Ancor' oggi , in virtù di questa primitiva origine, il parroco conserva il titolo onorifico di Abate. a Montecassino (VI secolo). Il più antico documento in cui viene citato è del 778 d.C., anno in cui Ildebrando duca di Spoleto donava la chiesa ed il territorio di San Donato al Monastero di San Vincenzo al Volturno.

Della primitiva "aecclesia" non rimangono tracce, in quanto successive modifiche e costruzioni hanno portato all'odierno Santuario, realizzato in economia dagli abitanti del Rione Castello a partire dal XVI secolo. Sulla scorta di alcune note marginali presenti sui registri parrocchiali, si evince che le ricche decorazioni del "Tempio" furono realizzate dagli architetti Mastroianni di Roma e da Cristoforo Buzzalini e Clemente Forzaretti di Milano nel 1780 circa. L'ultimo restauro fu eseguito nel 1915 dall'artista Fiorini di Sora, sotto la guida del canonico Luigi Ippoliti, autore peraltro dell'inno popolare di San Donato. La particolare venerazione del Santo è la conferma dell'antico legame che univa il "Castrum Sancti Donati" con le terre d'Umbria e di Toscana e che continua, dopo l'anno Mille, con donazioni in feudo tra Capua ed Arezzo.