Niedaleko od Bazyliki Narodzenia znajduje się Grota Mleczna. Stoi ona na wzgórzu z białego kamienia. Tradycja przekazuje, że Matka Boska podczas ucieczki do Egiptu, w tym miejscu karmiła Jezusa. W czasie karmienia krople mleka spadły na skałę, a kamień wykutej w tym miejscu groty zabarwił się na biało.
Świątynię zbudowano w 404 roku n.e. i przypisuje się to wydarzenie św. Pauli. W czasie krucjat, w tym miejscu stał kościół św. Mikołaja. W drugiej połowie XIV wieku papież Grzegorz XI powierzył jego odbudowę franciszkanom. Na koniec XV wieku udało im się odrestaurować tylko Grotę i postawić w środku ołtarz. W ołtarzu znajduje się obraz Matki Bożej Karmicielki. Podczas trzęsienia ziemi w XVI wieku część groty się zawaliła. Dopiero w 1872 roku zakonnicy całkowicie wywiązali się z zadania. Po uregulowaniu spraw własnościowych wybudowali w pobliżu groty klasztor i oratorium. Zachowały się one do naszych czasów. Wyposażenie kościoła pochodzi z lat trzydziestych XX wieku.
Kult Matki Boskiej Karmiącej jest ważny w kościele katolickim i na chrześcijańskim Wschodzie. Grota Mleczna w Betlejem poświęcona jest tajemnicy macierzyństwa Marii. Kobiety wszelkich wyznań (przede wszystkim chrześcijanki i muzułmanki) przychodzą tu modlić się w różnych intencjach. Przy sanktuarium znajduje się sala z ekspozycją fotografii dzieci z całego świata, które zostały uzdrowione. Popularne relikwie „mleka Matki Boskiej” to sproszkowane fragmenty białej skały (tuf). Były sprowadzane do kościołów Europy już w VI wieku. Fiolki z tą „relikwią” wywołują sporo nieporozumień. Praktykę tę opisano dokładnie już w XIII wieku. Przez ciągłe pobieranie tufu nie można ustalić pierwotnej formy Groty Mlecznej.
Badania archeologiczne przeprowadzone przez naukowców z franciszkańskiego Studium Biblijnego w Jerozolimie potwierdziły wcześniejsze przypuszczenia o istnieniu Groty Mlecznej. Zachowały się fragmenty mozaiki posadzkowej datowanej na V wiek z motywami krzyża. Znaleziono też dokumenty wskazujące na pochówek Świętych Młodzianków.
W 2006 roku wybudowano nad grotą nowy kościół i kaplicę adoracji. Od kwietnia 2009 roku znajduje się tu kopia figury Matki Bożej z podhalańskiego Ludźmierza. W kaplicy adoracyjnej jest ołtarz „Tryptyk Jerozolimski” wykonany przez polskiego złotnika Mariusza Drapikowskiego.
