La tradición la relaciona con el origen del monasterio, pero lo más verosímil es que fuese traída al mismo tiempo que los restos de Santo Toribio de Astorga, alrededor del siglo VIII. Según el P. Sandoval, cronista de la orden benedictina, esta reliquia corresponde  al "brazo izquierdo de la Santa Cruz, que la Reyna Elena (madre del emperador Constantino, en el siglo IV) dejó en Jerusalén cuando descubrió las cruces de Cristo y los ladrones. Está serrado y puesto en modo de Cruz, quedando entero el agujero sagrado donde clavaron la mano de Cristo".

Se encuentra incrustado en una cruz de plata dorada, con cabos flordelisados, de tradición gótica, realizada en un taller vallisoletano en 1679.

Las medidas del leño santo son de 635 mm. el palo vertical y 393 mm. el travesaño, con un grosor de 38 mm. y es la reliquia más grande conservada de la cruz de Cristo, por delante de la que se custodia en San Pedro del Vaticano.

Un análisis científico del sagrado leño, determino que "la especie botánica de la madera del Lignum Crucis es Cupressus Sempervivens L., tratándose de una madera extraordinariamente vieja y que nada se opone a que alcance la edad pretendida".