相传，耶稣被他12个门徒中的一个叫犹大的出卖，在受尽折磨后被钉死在十字架上。耶稣死后，他的另一门徒约翰用一块裹尸布将其尸体精心包好后放在哥尔高扎的一个石洞墓里。3天后，几个去石洞吊唁的妇女发现耶稣复活了，这个日子后来成为基督教的重要节日——复活节。然而，就在耶稣复活后，他的那块裹尸布却不翼而飞了。
本来，这一传说带有明显的宗教神话色彩，人们当初并没有信而当真。然而到了1353年，居住在法国巴黎附近领地的夏尔尼伯爵突然宣称，他保藏着耶稣受难时的那块裹尸布。这一消息对基督徒来说，无疑是个极大的震动。遗憾的是，夏尔尼伯爵尚未说出裹尸布的来龙去脉就很快病故了，从而把这块裹尸布突然出现之谜也永远带进了坟墓。不过，对于一些基督徒来说，他们对这块裹尸布却是深信不疑的。
传说中的耶稣裹尸布4年后（1357年），这块来历不明的裹尸布终于在夏尔尼伯爵领地利莱教堂的祭台上公开展出，吸引了大批朝圣者。当时法国基督教徒与天主教徒矛盾日益尖锐，裹尸布公开展出后，立即遭到当地天主教主教的反对，他们要求停止展出这块裹尸布，并断言它是赝品。1389年主教的继承人在写给教皇的信中指出，有一个不知名的艺术家已经承认，所谓耶稣裹尸布实际上是出自于他手笔的艺术品。因此教皇克里孟特七世下达教谕，只允许在说明这块细亚麻布不是真正的耶稣裹尸布，而只是艺术品的情况下才能向基督教徒公开展出。但是，法国的基督教徒们无视教皇的教谕，他们认为那个不知名的艺术家是在严刑拷打下而被迫承认的。到了15世纪，萨伏伊公爵路易斯将裹尸布从利莱转移到著名的尚贝里大教堂。1532年，尚贝里大教堂失火，裹尸布虽被抢救了出来，但因贮放的银盒融化，落了几滴在裹尸布上，使它遭到了一些破坏，同时消防用水也在布上留下了污迹，但布的中心部分依然完整无损。1578年，裹尸布被迁往意大利北部的都灵，存放在都灵大教堂的圣坛上，时至今日。
由于社会上对耶稣裹尸布的真伪众说纷纭，1898年，都灵大主教终于同意一批科学家对裹尸布进行考察研究。人们发现这块亚麻裹尸布上留有一个明显的影像——一个裸体、有胡子、留长头发的男人的图像，其大小同实际人体相等，死者的面容安详，其身体上留有鞭痕和钉痕，布上相当于死者的头、手、腰、足部位都有斑斑“血”迹。有人认为，裹尸布上的影像很像《福音》书上所描述的耶稣受难时的形象，并断定这就是大约2000年前约翰用来包裹耶稣尸体的那块圣布。同时，有历史学家试图通过历史文献证明耶稣裹尸布的存在及其真实性。例如，经英国历史学家威尔逊考证认为，耶稣当年受难时，耶稣的门徒确实曾用细亚麻布包过耶稣的遗体，这块裹尸布曾长期保存在耶路撒冷，后来它又传到了东罗马帝国的首都君士坦丁堡。而且据记载，13世纪初一个叫克劳里的编年史家声称他本人于1203年在君士坦丁堡目击过耶稣的裹尸布。第四次十字军东侵时（1202~1204年），君士坦丁堡被十字军所占领，当时一些十字军骑士也曾见过耶稣裹尸布，然而事后这块裹尸布就失踪了。有人猜测，1357年在法国夏尔尼伯爵领地利莱教堂展出的耶稣裹尸布，就是十字军东侵时从君士坦丁堡窃运而来的。同时，这些相信者们还发现：裹尸布图像上的脸型、披肩的发式及胡子都属于公元初的犹太人型，并且，裹尸布上的形象与圣西娜山上叶卡捷娜教堂中的圣像有45处相似，而与查士丁尼二世时货币上的圣像有65处相似。在图像的眼部发现有公元1世纪铸造的钱币痕迹，这证明死者的时间是公元1世纪，与耶稣遇难的时间相吻合。然而，不信者们也有自己的理由。他们认为，裹尸布的人形属裸体形象，这与当时的习俗相违背，因为通行的耶稣受难形象是穿着希腊长衣，或者腰间束有大腿绷带。同时，他们还发现，裹尸布上的耶稣形象留有发辫痕迹，而中世纪的几乎所有圣像都没有发辫。由此，他们认为裹尸布是伪作。双方的争执持续了几百年。
1978年，为纪念裹尸布迁移都灵400周年，裹尸布再次举行了公开展出。各国科学家云集都灵，用各种现代科学方法对裹尸布作了实物检验研究。纺织学家发现。在古代中东地区常以亚麻布作尸衣、尸布，而这块亚麻裹尸布明显具有古代耶路撒冷地区的特征。同时，有科学家还发现在裹尸布上含有一些花粉，这些花粉大部分是属于生长在耶路撒冷的植物花粉。因此他们断定：裹尸布肯定有一段时期是在耶路撒冷保存过的。但是马上有人提出反驳，他们指出，花粉是可以随风飘荡或被鸟类带到很远的地方的。而裹尸布恰恰在几个世纪中被放在露天场上展出过，因此用花粉来证实裹尸布真实性的论点就有些靠不住了。于是，有人提出用放射性碳断代法来测出裹尸布的确切年代，以此来证明裹尸布确系公元一世纪的产物，但未能得到允许，因为用这种方法会破坏掉一部分原物。
正当欧洲的科学家们争执不下的时候，从大洋彼岸的美国却传来了不同的研究结果。
首先，科学家们提出了一个一致的结论，认为这块裹尸布不是一幅画，因为裹尸布上没有发现颜料的成份，至于裹尸布图像的形成，他们通过1532年的那场火灾所提供的线索得到了启发，断定这是由别人巧妙地用轻微的焦痕构成的。其次，通过对尸布上的“血”迹的研究表明，裹尸布上留下的“血”迹确系人血。但经分析发现，“血”迹部分拍摄的底片上呈白色，证明尸布上的血迹是阳性的，而人体影像却是阴性的，这说明尸布上的血不是来源于尸体，而是后来加上去的。由此。有些科学家断言，裹尸布上的耶稣图像是伪造的，这块亚麻布根本不是传说中的耶稣裹尸布。
然而，这是否就能用来完全解释裹尸布的奥秘呢？科学家们对有些问题至今不解：裹尸布上的图像是立体形的，但古代人是否能掌握立体成形技术？如果裹尸布上的图像是由焦痕形成的，那么要有怎样的烧烫技术才能绘制出这样一幅图像呢……这些都是谜。