Les événements historiques et artistiques du sanctuaire sont étroitement liés à son caractère dévotionnel. À la fin du XIVe siècle, les tertiaires franciscains y construisirent un oratoire destiné à contenir le panneau peint représentant l’image de la Vierge Marie. L'histoire et la légende se combinent en ce qui concerne les origines de la peinture; selon la tradition populaire, il serait arrivé miraculeusement de Grèce en 1345 et aurait été porté au sommet de la montagne par un berger estropié. La petite église, construite avec les dons des citoyens de la ville, est rapidement devenue insuffisante pour le grand flux de fidèles.

L'archevêque de Pise décida donc de le confier aux moines jésuati qui entreprirent d'agrandir l'église en 1445. À cette époque, le sanctuaire se composait d'une seule salle rectangulaire à développement longitudinal se terminant par l'autel en marbre. Silvio Cosini (1530), maintenant dans la sacristie. Lorsque les Jesuati ont été supprimés en 1668, Montenero a été remis aux Théatins, qui ont donné au sanctuaire son apparence actuelle. Les peintures de l'atrium elliptique sont l'œuvre de Theatine, converti, Filippo Maria Galletti. Ils s’inspirent des épisodes de la vie de Marie et sont placés dans un contexte décoratif qui évoque symboliquement le jardin en tant que métaphore du paradis.

L'intérieur, avec son influence baroque marquée, est orné de décorations en stuc et d'une profusion de marbres polychromes. Les six autels latéraux commémorent les sociétés qui ont contribué financièrement à la construction de Montenero. Une corniche en stuc longe l'allée, soutenue par les arches de la chapelle et les contreforts. Dans les pièces entre les fenêtres, il y a d'autres toiles de Galletti représentant des épisodes de la vie de Joseph et de Marie. Le plafond en bois, conçu et sculpté en 1680 par le pisan Pietro Giambelli, porte trois grands tableaux sur toile. Celles-ci présentent des épisodes de la vie de saint Jérôme de Thiene, fondateur des Theatines, et sont à nouveau l'œuvre de Galletti. En 1721, les travaux de construction d'une nouvelle chapelle commencèrent afin de fournir un cadre digne à l'image sainte. Un corps cruciforme a été ajouté à l'église, lui donnant un plan en croix latine traditionnel.

Le projet a été initialement confié à l'architecte Giovanni Del Fantasia, qui a dû abandonner les travaux car il a également participé à la construction de l'église Santa Caterina de Livourne. La décoration sculpturale a donc été confiée à Giovanni Baratta de Carrare. À sa mort, il a confié la tâche de la splendide Gloria à l'autel principal de son petit-fils, Giovanni Antonio Cybei. Le tabernacle contient le panneau de la Madone de Montenero généralement attribué à l'artiste pisan Jacopo di Michele, dit Gera, actif dans la seconde moitié du XIVe siècle.

La décoration du dôme (1771-74) a été réalisée par le Florentin Giuliano Trabellesi, qui a traité le thème du couronnement de Marie selon l'iconographie traditionnelle. La fresque s’inspire des traits illusionnistes de la peinture du XVIIIe siècle et les filtre à travers une nouvelle enquête classique des détails. Une palette riche et variée permet à l'artiste de donner de l'exubérance à la représentation, tout en respectant un équilibre harmonieux de tons. Les pendentifs du dôme présentent les quatre évangélistes en mosaïque d'or de Traballesi, tandis que le Livornais Giuseppe Maria Terreni a peint les décorations architecturales du tambour avec des motifs floraux, des putti et des symboles allégoriques des vertus de la Vierge. Les chapelles latérales renferment une longue galerie d’élections votives qui témoignent de la dévotion du peuple de Livourne envers la Vierge Marie et de sa vénération de la Madone delle Grazie.

En 1783, le grand-duc Pietro Leopoldo abolit toutes les confréries religieuses, y compris les Théatins, laissant le soin du sanctuaire à trois prêtres séculiers. Cependant, il est vite devenu évident qu'ils ne convenaient pas à la tâche. Lorsque le Grand-Duché est passé à Ferdinando III en 1792, les moines bénédictins de Vallombrosa ont décidé de prendre en charge les soins de l'église et de la sauver de son état de négligence. Les Vallombrosans ont continué à s'occuper du sanctuaire, sauf pendant la période napoléonienne où ils ont été renvoyés. Le sanctuaire est encore entre leurs mains aujourd'hui.