Der Name Sonntagberg wird erstmals 1477 in der lateinischen Bezeichnung mons dominicus in den Quellen fassbar und weist auf die offenbar schon damals populäre Dreifaltigkeitswallfahrt hin, die sich rasch nach Begründung der Kapelle 1440 durch Abt Benedikt I. von Seitenstetten etabliert hatte.
Die steigenden Pilgerzahlen machten im 18. Jahrhundert einen Kirchenneubau notwendig, mit dem Jakob Prandtauer, Architekt des barocken Stifts Melk, betraut wurde. Die der hl. Dreifaltigkeit und dem hl. Michael geweihte Kirche auf dem Sonntagberg weist daher auch eine gewisse Ähnlichkeit mit der Melker Stiftskirche auf. Nach Prandtauers Tod (1726) führte seine Neffe Josef Munggenast den Bau zu Ende. Daniel Gran schuf zwischen 1738 und 1743 die figürlichen Fresken mit der Offenbarung des dreifaltigen Gottes im Gewölbe, wo Antonio Tassi die tatsächlich gebaute Architektur durch illusionistische Malerei fortsetzte. Martin Johann Schmidt, der so genannte Kremser Schmidt, malte zwei Altarblätter. Der aus Tirol stammender Baumeister und Erzgießer Melchior Hefele schuf die vergoldete Kanzel und ab 1751 gemeinsam mit dem Bildhauer Jakob Schletterer den Hochaltar, von dem sich im Stift Seitenstetten ein zeitgenössisches Modell erhalten hat. Der architektonische Aufbau aus Untersberger Marmor präsentiert im Zentrum das 1614 auf Kupfer gemalte Gnadenbild.