Pierwsza pewna informacja o istnieniu parafii pw. św. Stanisława Biskupa i Męczennika w Wielgomłynach pochodzi z 1369 roku. Opisywana jest w Liber Benefic. J. Łaskiego pod nazwą „Vyelgi Młyn”. W latach 1476-1819, 1823-66 i od 26 sierpnia 1987 r. w administracji zakonu Ojców Paulinów. W 1465 roku Jakub Koniecpolski – kanonik gnieźnieński i krakowski oraz jego matka Dorota, wdowa po kanclerzu wielkim Koronnym Janie Koniecpolskim, właścicielu wsi, ufundowali Paulinom drewniany klasztor.

W latach 1465-66 na miejscu drewnianej świątyni wzniesiono obecny murowany kościół z fundacji Jakuba Koniecpolskiego. Jego konsekracja nastąpiła prawdopodobnie w 1491 roku. Powstała wówczas jednonawowa świątynia, ukierunkowana na osi wschód-zachód z sygnaturką na środku dwuspadowego dachu. Pierwszy murowany klasztor istniejący do dziś Paulini wybudowali dopiero w XVII wieku. Dwukondygnacyjne założenie powstałe na rzucie litery L zostało wzniesione na wschód od kościoła. W II połowie XVII wieku wzniesiono wolno stojącą dwukondygnacyjną dzwonnicę, w której przyziemiu znajduje się brama wjazdowa na teren przykościelny. W 1717 roku rodzina Kampanowskich dobudowała od północnej strony kościoła boczną kaplicę p.w. św. Anny, obecnie św. Pawła I Pustelnika zaś w 1726 roku rodzina Moszyńskich ufundowała drugą kaplicę od strony południowej, obecnie Matki Bożej Bolesnej.

Klasztor został skasowany w 1819 roku przez arcybiskupa warszawskiego Franciszka Malczewskiego, ale na powrót przywrócony wraz z parafią Paulinom w 1823 roku. W 1866 roku nastąpiła kasata klasztoru przez rząd carski. Administrację parafii przejęli księża diecezjalni, a klasztor stał się plebanią. Ojcowie Paulini powrócili do Wielgomłynów dopiero 23 sierpnia 1987 roku.

W następnym roku przystąpiono do gruntownego remontu klasztoru, który zakończono w 1990 roku. W dniu 3 września 1994 roku przeprowadzone prace w kościele poświęcił abp S. Nowak. W następnych latach odnowiono i powiększono organy oraz ołtarz Matki Bożej Bolesnej. 14 września 1997 roku abp S. Nowak dokonał intronizacji czczonej tam statui Matki Bożej Bolesnej. Pomimo licznych przebudów zachowało się w świątyni kilka elementów gotyckich. Należy do nich m.in. pełna bólu i cierpienia Pieta – rzeźba przedstawiająca Chrystusa zdjętego z krzyża na kolanach Najświętszej Maryi Panny (oryginał znajduje się w kaplicy klasztornej). Kamienny portal z II połowy XV wieku, usytuowany u wejścia z kruchty bocznej kościoła powstał najpewniej w II połowie XV wieku. Na polu kwadratowym minuskułą gotycką wypisane jest słowo „Jezus”. Do wyposażenia gotyckiego należy też murowana mensa wielkiego ołtarza z antepedium i znajdująca się w kruchcie bocznej kropielnica, która niegdyś służyła za chrzcielnicę. Jednym z najbardziej znaczących elementów gotyckich w wielgomłyńskim kościele jest brązowa płyta nagrobna trzech członków rodziny Koniecpolskich. Obecnie wmurowana jest w ścianę wschodnią kaplicy Kampanowskich. W XVIII-wiecznej dzwonnicy umieszczone są dwa dzwony z XV wieku.

W przyklasztornym ogrodzie rośnie kilkusetletni dąb szypułkowy. Ma on 27 m wysokości, a jego obwód sięga 650 cm. 14 czerwca 2010 roku Arcybiskup Metropolita Częstochowski Stanisław Nowak wydał dekret uznający świątynię jako Sanktuarium Bolesnej Pani Wielgomłyńskiej. Każdego 15. dnia miesiąca od maja do września odbywają się tu nabożeństwa z procesjami ku czci Matki Bożej Bolesnej. Przez cały rok w każdą środę odbywają się od lat nabożeństwa ku czci Matki Bożej, w czasie których wierni z parafii oraz pielgrzymi składają Matce Bożej swe prośby i podziękowania.

Wielgomłyny są położone 23 km na wschód od Radomska, przy lokalnej drodze do Krzętowa. Sanktuarium znajduje się w centrum miejscowości.

Zdjęcia wykonano w lipcu 2015 roku.