Các ghi chép lịch sử về tấm vải liệm có thể được chia thành hai khoảng thời gian: trước 1390 và từ 1390 đến nay. Giai đoạn trước năm 1390 là đề tài tranh luận và tranh cãi giữa các nhà sử học. Không có một hồ sơ lịch sử chính thức nào liên quan đến tấm vải liệm có từ trước thế kỷ 14, ngoại trừ những chi tiết vụn vặt.

Theo trình thuật của Phúc âm Gioan thì sau khi được bà Maria Madalena chạy về báo, hai tông đồ là Phêrô và Gioan đã chạy ra mồ và nhận thấy xác Chúa Giêsu không còn ở đó, nhưng tấm vải dùng để liệm xác thì vẫn còn. Truyền thống cho rằng chính Phêrô là người đã thu nhặt tấm vải và đem về nhà. Theo ghi chép của thánh Nino vào thế kỷ thứ 4, thì tấm vải liệm này sau đó thuộc sở hữu của vợ tổng trấn Philato. Tiếp đó, theo Giám mục Eusebius thì một môn đệ của Chúa Giêsu tên là Addai đã đem tấm khăn liệm này đến Edessa (Thổ Nhĩ Kỳ) để tặng cho vua Abgar V. Theo Eusebius thì ông vua này đã tôn kính tấm khăn liệm và được ơn khỏi bệnh[1].

Khoảng năm 57, Abgar qua đời. Con ông lên kế ngôi và ra lệnh cấm đạo. Giáo dân ở Edessa đã đem tấm khăn liệm cất dấu và nó gần như "biến mất". Năm 525, Edessa bị lụt lớn, lúc đó người ta mới thấy tấm vải được dấu trong hốc tường của cổng thành này và nó được gọi là "Mandylion" [2]. Hoàng đế Justiniano đã ra lệnh xây cất tại đây một thánh đường lớn có tên là Hagia Sophia để tôn kính tấm vải liệm. Năm 639, Edessa bị quân Hồi giáo chiếm đóng nên tấm vải liệm được đem đi nơi khác để cất giấu. Năm 670, người ta thấy tấm khăn liệm xuất hiện tại Palestine. Và năm 944, nó xuất hiện tại nhà thờ Đức Mẹ tại thành Constantinopolis, Thổ Nhĩ Kỳ[1]. Khi thành phố Constantinopolis bị cướp phá vào năm 1204, tấm vải lại "biến mất".

Học giả người Anh Ian Wilson cho rằng tấm khăn liệm Turin chính là khăn liệm "mandylion" trong tiếng Hy Lạp[3]. Vào năm 1997, học giả Zanzotto đã tìm thấy trong Thư viện Vatican thủ bản một bài giảng của Trưởng Phó tế Vương cung thánh đường Sofia là Gregorio Il Referendario. Phó tế Gregorio đã tham dự việc di chuyển tấm khăn "mandylion" từ Edessa về Bisanzio. Bài giảng miêu tả rằng trên tấm khăn người ta trông thấy cạnh sườn bị đâm thấu của Chúa Giêsu [3]. Chính điều này đặt ra một nghi ngờ là tấm khăn "mandylion" chỉ có gương mặt của Chúa Giêsu chứ không phải là hình ảnh toàn thân như tấm vải Turin và Mandylion trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là khăn lau mặt hay khăn lau tay chứ không phải là khăn liệm.

Năm 1349, hiệp sĩ Geoffrey de Charny đã viết thư gửi Giáo hoàng đề nghị được xây một nhà thờ ở Lirey (Pháp), đồng thời tuyên bố ông đang sở hữu tấm vải liệm Chúa Giêsu. Mặc dù hầu hết mọi người chấp nhận tấm vải của Geoffrey chính là Mandylion, và nó đã được chính triều đình Byzantium trao cho các Hiệp sĩ dòng Đền. Nhưng một số chuyên gia vẫn rất hoài nghi về nguồn gốc và tính xác thực của nó. Một trong những người có tiếng nói hoài nghi nhất là Giám mục Pierre d’Arcis. Trong một bức thư gửi Giáo hoàng vào năm 1389, d’Arcis cho rằng, Geoffrey đã lừa gạt giáo hội bằng một tấm vải được in hình một cách gian trá mà ông ta bịa ra đó là tấm vải liệm từng bọc thi thể Chúa Giêsu và nó được tạo ra nhằm mục đích kiếm lợi nhuận[2].

Năm 1418, khăn liệm lại được chuyển về pháo đài Montfort. Năm 1452, công chúa Magaret Charny đã tổ chức một cuộc triển lãm cho công chúng đến chiêm ngưỡng tấm khăn liệm tại lâu đài Germolles và sau đó tặng lại nó cho quận công Savoy[1]. Năm 1502, tấm vải liệm được chuyển về lưu giữ trong nhà thờ Sainte Chapelle ở Chambery, một công trình được gia đình Savoy xây dựng dành riêng để lưu giữ khăn liệm. Chính tại đây vào năm 1532, một vụ hỏa hoạn đã bùng phát, tấm vải được cứu thoát nhưng bị những vết cháy do đĩa bạc nóng chảy nhỏ vào và được các bà xơ vá lại [4].

Ngày 17 tháng 9 năm 1578, Philibert de Savoy dời đô về thành Turin và mang tấm khăn vào đặt trong nhà thờ chính tòa của thành phố này. Kể từ đó tấm khăn này được gọi là khăn liệm thành Turin. Năm 1938, Adolf Hitler thăm nước Ý. Nhận thấy rằng các viên chức Đức quốc xã rất thích tấm khăn liệm, cho nên năm sau, Tòa Thánh và hoàng gia Savoy đã quyết định mang khăn liệm về tu viện Biển Đức tại Avellino, vùng Campania, miền Nam nước Ý cất giấu nhằm tránh bị Hitler tịch thu [5]. Nhưng 1983, hậu duệ của gia đình Savoy đã trao tấm khăn liệm lại cho Tòa thánh và Tòa Thánh đã cho cất giữ tại nhà thờ chính tòa Turin cho tới ngày nay.

Nhân dịp năm Toàn Xá 2000, tấm khăn liệm được mang ra trưng bày cho dân chúng kính viếng từ ngày 12 tháng 8 đến ngày 22 tháng 10 [6].Tiếp đó vào năm 2010, từ ngày 10 tháng 4 cho đến ngày 23 tháng 5 năm 2010. Trong lần trưng bày này đã có trên hai triệu người đến chiêm ngắm cả Giáo hoàng Biển Đức XVI. Hình ảnh của tấm vải liệm cũng được phát sóng trên truyền hình vào ngày 30 tháng 3 năm 2013.