Costruito come piccola chiesetta all'inizio del Cinquecento e trasformato tra la fine del XVI e l'inizio del XVII secolo, il santuario è sorto sul luogo di un'apparizione della Madonna ad una giovane fanciulla di nome Camilla di Antonio della Valle. La facciata è rinascimentale. L'interno ad unica navata è caratterizzato dal bicromismo dell'intonaco e della pietra serena. Seicenteschi sono gli altari laterali, qui trasportati insieme alle tele all'inizio del Novecento dalla basilica di San Francesco. In una nicchia è conservata la Madonna col Bambino attribuita alla scuola di Andrea Sansovino che è stata risistemata nel marzo 2014. La seicentesca Crocifissione dell'altare sinistro è di Giacinto Brandi.