689년(신라 신문왕 9) 원효(元曉)가 창건하였다. 원효는 687년 설악산에 일출암(日出庵)을 세웠으며, 2년 후 청련암(靑蓮庵)과 함께 이 절을 세웠다고 전한다. 그러나 원효는 686년에 입적하였으므로 절을 세운 뒤 창건주로 모신 것으로 추정된다. 원효가 입적했다고 하는 혈사(穴寺)를 절측에서는 영혈사라고 말하고 있다.

1688년(조선 숙종 14) 불에 탄 것을 1690년 취원(聚遠)이 중건했는데, 이 때 법당 서쪽에 영천(靈泉)이 있어서 절 이름을 영천사로 바꾸었다.

1887년(고종 24) 지화(知和)와 도윤(道允)이 중수하고 절 이름을 본래의 영혈사로 바꾸었으며, 1900년 김우경(金禹卿)이 산신각을 중수하고 1903년 보훈(普訓)이 칠성계(七星契)를 조직하여 사세를 확장하였다.

1950년 6·25전쟁을 치르고도 건물이 불에 타지 않은 채 오늘에 이른다.

영혈사내의 지장전은 6.25전쟁 때 설악산지구 전투에서 숨져간 호국영령(특수임무수행자)들의 위패를 모셔둔 건물이며 해마다 석가탄신일에 희생자 유가족, 생존자, 관계기관들이 참여하여 호국영령 천도제를 열고 있다.

이 절에는 특히 약수가 유명해서 이에 얽힌 전설이 전한다. 원효가 이 절을 창건하고 의상(義湘)이 머물고 있는 낙산사 홍련암을 방문하였다.그곳에 물이 매우 귀한 것을 보고 지팡이로 영혈사의 샘물 줄기 중 일부를 낙산사쪽으로 돌렸다. 이후 영혈사 샘물의 양이 3분의 1로 줄었고 낙산사에는 물이 풍부해졌다고 한다.

영혈사는 2003년 5월 국가 보훈시설로 정해져 관리가 되고 있다.