Los eventos históricos y artísticos del Santuario están estrechamente relacionados con su carácter devocional. A finales del siglo XIV, los terciarios franciscanos construyeron aquí un oratorio para contener el cuadro de pintura con la imagen de la Virgen. Historia y leyenda se combinan en cuanto a los orígenes de la pintura; Según la tradición popular, llegó milagrosamente de Grecia en 1345 y fue llevado a la cima de la montaña por un pastor lisiado. La pequeña iglesia, que fue construida con donaciones de los ciudadanos de la ciudad, pronto se volvió inadecuada para el gran flujo de devotos.

El Arzobispo de Pisa, por lo tanto, decidió confiarlo a los monjes Jesuati que comenzaron a extender la iglesia en 1445. En ese momento, el santuario consistía en una única sala rectangular con un desarrollo longitudinal, que termina en el altar de mármol por Silvio Cosini (1530), ahora mantenido en la sacristía. Cuando los jesuati fueron suprimidos en 1668, Montenero fue entregado a los teatinos que dieron su aspecto actual al santuario. Las pinturas en el atrio elíptico son obra de la Teatina convertida, Filippo Maria Galletti. Se inspiran en los Episodios de la Vida de María y se ubican en un contexto decorativo que evoca simbólicamente el jardín como una metáfora del Paraíso.

El interior, con su marcada influencia barroca, está adornado con decoraciones de estuco y profusión de mármoles policromados. Los seis altares laterales conmemoran las Sociedades que contribuyeron financieramente al edificio de Montenero. Una cornisa de estuco corre a lo largo del pasillo, sostenida por los arcos de la capilla y los contrafuertes. En las habitaciones entre las ventanas hay más lienzos de Galletti que retratan los Episodios de las Vidas de José y María. El techo de madera, diseñado y tallado en 1680 por el pisano, Pietro Giambelli, lleva tres grandes pinturas sobre lienzo. Estos muestran episodios de la vida de San Jerónimo de Thiene, fundador de los Teatinos, y son de nuevo el trabajo de Galletti. En 1721 se comenzó a trabajar en la construcción de una nueva capilla con la intención de proporcionar un escenario digno para la Santa Imagen. Se agregó un cuerpo cruciforme a la iglesia, lo que le da un plan tradicional de cruz latina.

El proyecto fue inicialmente otorgado al arquitecto Giovanni Del Fantasia, quien tuvo que abandonar la obra porque también participó en la construcción de la Iglesia de Santa Caterina en Livorno. Por lo tanto, la decoración escultórica fue confiada a Giovanni Baratta de Carrara, y cuando murió dejó la tarea de la espléndida Gloria por el altar mayor a su nieto Giovanni Antonio Cybei. El tabernáculo contiene el panel de la Virgen de Montenero generalmente atribuido al artista pisano Jacopo di Michele, conocido como Gera, y activo en la segunda mitad del siglo XIV.

La decoración de la cúpula (1771-74) es de Florentine Giuliano Trabellesi, quien trató el tema de la Coronación de María según la iconografía tradicional. El fresco se basa en los rasgos ilusionistas de la pintura del siglo XVIII, y los filtra a través de una nueva encuesta clásica de detalles. Una paleta rica y variada permite al artista exuberar a la representación, al mismo tiempo que respeta un equilibrio armonioso de tonos. Los colgantes de la cúpula muestran a los cuatro evangelistas en un mosaico de oro de Traballesi, mientras que el Livornese, Giuseppe Maria Terreni pintó las decoraciones arquitectónicas del tambor con motivos florales, putti y símbolos alegóricos de las virtudes de la Virgen. Las capillas laterales contienen una larga galería de ofrendas votivas que atestiguan la devoción de la gente de Livornese a Madonna y su veneración de Madonna delle Grazie.

En 1783, el Gran Duque Pietro Leopoldo abolió todas las cofradías religiosas, incluidas las teatinas, dejando el cuidado del santuario a tres sacerdotes seculares. Pronto quedó claro, sin embargo, que no eran adecuados para la tarea. Cuando el Gran Ducado pasó a Ferdinando III en 1792, los monjes benedictinos de Vallombrosa decidieron hacerse cargo del cuidado de la iglesia y rescatarla de su estado de abandono. Los vallombrosanos continuaron cuidando el santuario, excepto durante el período napoleónico, cuando fueron expulsados. El santuario todavía está en sus manos hoy.