L’area dove sorge la chiesa, era in origine il Foro romano. Dopo l’epoca imperiale, il centro di Milano si spostò verso l’attuale piazza del Duomo, dove vi erano le due chiese di Santa Tecla e Santa Maria Maggiore, mentre il polo laico e commerciale si creò in piazza Mercanti. Così il Forum non più in uso venne riempito con nuove strutture.
Una di queste fu la chiesa del Santo Sepolcro.
La chiesa venne fondata come privata nel 1030 con il titolo di Santissima Trinità dal Magister Monetæ Benedetto Ronzone o Rozone, Maestro della Zecca poco distante dal Foro. Il 15 luglio 1100, in piena epoca di Crociate, l’arcivescovo di Milano Anselmo da Bovisio nel giorno delle celebrazioni del primo anniversario della spedizione crociata lombarda che nel 1099 prese Gerusalemme e alla vigilia della seconda spedizione del 1100, ridedica la chiesa della Santissima Trinità al Santo Sepolcro di Gerusalemme, proprio per via dell’importanza assunta in quegli anni dai luoghi Santi (lo stesso Anselmo parteciperà e morirà nella Crociata del 1101).
La chiesa viene pesantemente rimaneggiata al fine di conferirle le forme del Santo Sepolcro di Gerusalemme. I rimaneggiamenti sono d’altronde tantissimi nel corso dei secoli, a partire dall’aggiunta dei due campanili nel corso del XII secolo.
La chiesa del Santo Sepolcro fu eletta nel 1578 da Carlo Borromeo a sede principale della congregazione degli Oblati dei Santi Ambrogio e Carlo da egli stesso fondata.
Nel 1605 Federico Borromeo chiamò l’architetto Aurelio Trezzi a trasformarne l’interno alla maniera barocca e fece erigere al fianco e nel retro della chiesa la Biblioteca Ambrosiana. La chiesa fu poi ulteriormente modificata e restaurata tra il 1713 e il 1719 aggiungendovi un deambulatorio con due cappelle proprio in facciata.
Facciata originaria 
Prima fase, coi campanili ancora differenti 
Santo Sepolcro durante la ricostruzione della facciata
La facciata attuale, è frutto di una ricostruzione degli anni 1894 – 1897 ad opera di Gaetano Moretti e Cesare Nava, in stile romanico lombardo, in linea col gusto anacronistico di quei tempi e molto di fantasia, visto che la facciata originale sarebbe stata più arretrata. In tale occasione i due campanili vennero resi gemelli, e l’affresco del Bramantino che era collocato sopra il portale venne staccato e trasferito all’interno della chiesa.
Il portale barocco venne ricomposto all’interno della Pinacoteca di Brera e lo si può ancora ammirare sotto i portici del palazzo dell’accademia.
Brera: il portale barocco di Santo Sepolcro
L’interno è rimasto fino ai giorni nostri in stile barocco. L’atrio è attribuito a Francesco Maria Richino e chiuso da due cappelle decorate dagli affreschi di Carlo Bellosio San Carlo al Sepolcro e San Filippo Neri presentato a San Carlo. Nelle due cappelle a lato dell’altare due pregevoli gruppi scultorei in terracotta con una bella ultima cena a sinistra e un trittico sulla morte di Cristo a destra. Posto davanti all’abside un sarcofago opera forse di maestri campionesi della prima parte del XIV secolo e che doveva contenere alcune reliquie di Terrasanta ivi portate dai crociati lombardi (terra di Gerusalemme e alcuni capelli di Maria Maddalena).
Nel 1928 la chiesa fu acquistata dalla Biblioteca Ambrosiana e cessò così il suo status di parrocchia. La cripta sotterranea della chiesa inferiore, alla quale si accede dalla sinistra della navata principale, è ricoperta con lastre marmoree di epoca augustea che testimoniano l’antica pavimentazione del Foro Romano. La chiesa, dopo essere stata interessata nel 2009 da importanti lavori di ristrutturazione interna, oggi è tornata a risplendere come un tempo.
Progetto in forme neo-barocche 
Prima ipotesi per la nuova facciata