La chiesa, progettata da Francesco di Giorgio Martini (1485-1513) intorno ad un’edicola miracolosa, è considerata una delle opere perfette del Rinascimento. Vuole una leggenda che la domenica di Pasqua del 1484 un’immagine della Madonna col Bambino, dipinta sulla parete di una vasca adibita alla concia del cuoio – e detta calcinaio per la calce viva usata a questo scopo – iniziò a fare miracoli. Quell’icona, venerata come sacra, è ancor oggi visibile sull’altare maggiore del Santuario.

Il culto si diffuse e così l’arte dei Calzolari, proprietaria della concia, decise di erigere un “sacro tempio”, in un luogo che però poneva notevoli difficoltà per le tecniche di costruzione dell’epoca, per via del terreno scosceso e per la presenza di un ruscello. L’architetto Francesco di Giorgio Martini, chiamato dall’amico pittore cortonese Luca Signorelli, accettò l’incarico e redasse il progetto nello stesso 1484. I lavori iniziarono nel 1485 e già nel 1525, esternamente, la chiesa era come la vediamo oggi.

Martini la progettò applicando rigorosamente i principi architettonici rinascimentali della proporzione e della prospettiva. L’originalità complessiva dello spazio riesce a farne uno dei migliori esempi di sintesi di architettura rinascimentale. Gli esterni danno l’impressione di un blocco imponente che preannuncia la razionalità degli interni. Le superfici sono scandite da linee orizzontali e verticali, modanature e pilastri e sono movimentate da finestre con timpani.

I dipinti delle cappelle sono ispirati dall’iconografia mariana: dall’Assunzione all’Annunciazione, dall’Immacolata concezione, ai ritratti della Madonna coi santi. Sul terzo altare a sinistra c’è una pala del fiorentino Jacone (databile intorno al 1530), che ritrae la Madonna in trono e il Bambino con San Giovanni Evangelista, San Tommaso di Canterbury (patrono dell’Arte dei Calzolari), San Rocco e San Giovanni Battista. Una bella vetrata di Guillaume de Marcillat (1516) decora l’oculo della controfacciata.