Grazie ad un lascito del prete-pittore Antonio Longo di Varena (1742-1820), al contributo della Magnifica Comunità di Fiemme e all'offerta di ore lavorative da parte della popolazione, nel 1829, accanto alla Pieve di Cavalese, venne eretto il santuario dell'Addolorata, in stile neo-classico.

Il tempio è ornato dal colonnato dell'atrio a cui si accede per larga gradinata; la cupola arieggia il barocco e l'interno è di gusto rinascimentale. Fu consacrato il 15 agosto 1830.

Il santuario venne realizzato, su insistenza dei fedeli di numerose comunità della Val di Fiemme, per dare degna collocazione a una pietà tardogotica in gesso, modellata in stile bavarese-tirolese.

Questa immagine della Madonna Addolorata fu oggetto di grande devozione popolare fin dal XVII secolo, lo documentano gli ex Voto, suggestivi dipinti "per grazia ricevuta" esposti nel santuario. La protezione dell'Addolorata venne invocata nei momenti più drammatici della storia valligiana: per esempio nel 1797 quando l'esercito francese minacciò di incendiare la borgata, ma anche ripetutamente in seguito in occasione di incendi, catastrofi naturali o epidemie.

Davanti ad essa, in data 24 giugno 1944, si riunì la Magnifica Comunità Generale di Fiemme per esprimere voto solenne, affidando alla protezione dell'Addolorata tutte le genti di Fiemme e impegnandosi per la realizzazione di una serie di importanti celebrazioni ed iniziative di carattere religioso e sociale.

La formula votiva fa espresso richiamo "alle tradizioni dei padri, che nei momenti di grave pericolo e di pubbliche calamità erano soliti affidarsi alla Regina dei Cieli per impetrare protezione e soccorso divino".

Il voto viene rinnovato con grande partecipazione di popolo ogni cinque anni; l'ultima volta è stato solennemente rinnovato in data 26 maggio 1996. La festa del Santuario si celebra la terza domenica di settembre.

Nel Santuario sono conservati dipinti di Antonio Longo rappresentanti i misteri del rosario le statue lignee di Giuseppe d'Arimatea e di Nicodemo dello scultore G. Iellici da Moena, un grande quadro della cena di scuola fiemmese.