Die historischen und künstlerischen Ereignisse des Heiligtums sind eng mit seinem hingebungsvollen Charakter verbunden. Ende des 14. Jahrhunderts errichteten Franziskaner-Tertiäre hier ein Oratorium für das Tafelgemälde mit dem Bild der Madonna. Geschichte und Legende verbinden sich hinsichtlich der Ursprünge des Gemäldes; der Volkstradition zufolge kam sie 1345 wie durch ein Wunder aus Griechenland und wurde von einem verkrüppelten Hirten auf den Berg getragen. Die kleine Kirche, die von den Bürgern der Stadt mit Spenden erbaut wurde, wurde bald unzureichend für den großen Fluss der Devotees.

Der Erzbischof von Pisa beschloss daher, es den Jesuati-Mönchen anzuvertrauen, die die Erweiterung der Kirche im Jahr 1445 anstrebten. Zu dieser Zeit bestand das Heiligtum aus einem einzigen rechteckigen Saal mit einer Längsentwicklung, der mit dem Marmoraltar von Silvio Cosini (1530), jetzt in der Sakristei aufbewahrt. Als die Jesuati 1668 unterdrückt wurden, wurde Montenero den Theatinen übergeben, die dem Heiligtum sein heutiges Aussehen gaben. Die Gemälde im elliptischen Atrium stammen vom umgebauten Theatin Filippo Maria Galletti. Sie beziehen ihre Inspiration aus den Episoden aus dem Leben Marias und befinden sich in einem dekorativen Kontext, der symbolisch an den Garten als Metapher des Paradieses erinnert.

Das Interieur mit seinem barocken Einfluss ist mit Stuckverzierungen und einer Fülle von polychromen Marmorgestalten geschmückt. Die sechs Seitenaltäre erinnern an die Gesellschaften, die den Bau von Montenero finanziell unterstützt haben. Entlang des Ganges verläuft ein Stuckgesims, gestützt von den Kapellenbögen und den Strebepfeilern. In den Räumen zwischen den Fenstern befinden sich weitere Leinwände von Galletti, die Episoden aus dem Leben von Joseph und Mary darstellen. Die 1680 vom Pisaner Pietro Giambelli entworfene und geschnitzte Holzdecke trägt drei große Gemälde auf Leinwand. Diese zeigen Episoden aus dem Leben des hl. Hieronymus von Thiene, Gründer der Theatines, und sind wiederum das Werk von Galletti. Im Jahr 1721 wurde mit dem Bau einer neuen Kapelle begonnen, die dem heiligen Bild einen würdigen Rahmen bieten sollte. Der Kirche wurde ein kreuzförmiger Körper hinzugefügt, der einen traditionellen lateinischen Kreuzplan hat.

Das Projekt wurde ursprünglich an den Architekten Giovanni Del Fantasia übergeben, der die Arbeit einstellen musste, da er auch am Bau der Kirche Santa Caterina in Livorno beteiligt war. Der Skulpturenschmuck wurde deshalb Giovanni Baratta aus Carrara anvertraut, und als er starb, überließ er die Aufgabe der herrlichen Gloria für den Hauptaltar seinem Enkel Giovanni Antonio Cybei. Das Tabernakel enthält die Tafel der Madonna von Montenero, die im Allgemeinen dem pisanischen Künstler Jacopo di Michele, bekannt als Gera, zugeschrieben wird und in der zweiten Hälfte des 14. Jahrhunderts tätig ist.

Die Verzierung der Kuppel (1771-74) stammt vom Florentiner Giuliano Trabellesi, der sich nach der traditionellen Ikonographie mit dem Thema der Krönung Marias befasste. Das Fresko greift die illusionistischen Züge der Malerei des 18. Jahrhunderts auf und filtert sie durch eine neue klassische Detailübersicht. Eine reichhaltige und abwechslungsreiche Palette ermöglicht es dem Künstler, der Darstellung die Fülle zu verleihen und gleichzeitig ein harmonisches Gleichgewicht des Tones zu respektieren. Die Anhänger der Kuppel zeigen die vier Evangelisten in Goldmosaik von Traballesi, während der Livornese Giuseppe Maria Terreni die architektonischen Verzierungen des Tambours mit floralen Motiven, Putten und allegorischen Symbolen der Tugenden der Jungfrau bemalte. Die Seitenkapellen beherbergen eine lange Galerie von Votivopfern, die zeugen von der Hingabe der Livornesen an die Madonna und ihrer Verehrung der Madonna delle Grazie.

Im Jahr 1783 schaffte der Großherzog Pietro Leopoldo alle religiösen Bruderschaften, einschließlich der Theatines, ab und überließ die Pflege des Heiligtums drei weltlichen Priestern. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass sie für diese Aufgabe nicht geeignet waren. Als das Großherzogtum 1792 an Ferdinando III. Überging, beschlossen die Benediktinermönche von Vallombrosa, die Kirche zu pflegen und aus dem Zustand der Vernachlässigung zu retten. Die Vallombrosaner kümmerten sich weiterhin um das Heiligtum, außer während der napoleonischen Zeit, als sie weggeschickt wurden. Das Heiligtum liegt noch heute in ihren Händen.