Il santuario, con orientamento est-ovest, si trova all’interno del centro storico cittadino. L’impianto a croce latina è articolato in un’unica navata con volta a botte che conduce al grande transetto, esito dell’ampliamento di inizio Novecento che comprese anche l’aggiunta della cripta e la conseguente sopraelevazione del presbiterio. La cupola all’esterno è rivestita da un imponente tiburio con copertura a falde e manto in coppi, così come il resto della struttura. La facciata settecentesca articolata su due ordini presenta tre portali sormontati da medaglioni decorativi ed un’unica apertura centrale, al livello superiore. Sul fianco sinistro si eleva il campanile, costruito tra il 1835 e il 1838. All’interno il santuario conserva importanti opere d’arte. Sull’altare si trova l’immagine miracolosa traslata dal vicino monastero agostiniano nel 1619; la volta a botte della navata è decorata con affreschi eseguiti da Gianluca e Carlo Molinari tra il 1719 e il 1722 raffiguranti la storia del miracolo del 1522; sulle pareti sono collocate le tele raffiguranti la Vita di Maria, opere di Giovanni Stefano Doneda in collaborazione con i figli (detti i Montalto, autori anche delle tele conservate nella sagrestia). Il transetto, aggiunta di inizio Novecento, presenta nelle edicole dei pilastri angolari le statue di San Martino, Sant’Agostino, Santa Monica e San Carlo Borromeo; sui quattro arconi centrali si trovano gli affreschi con scene della Vita di Maria realizzate da Giovanni Bevilacqua tra il 1933 e il 1941, autore anche di altre opere all’interno del santuario. Le decorazioni parietali del presbiterio sono invece state eseguite dal pittore Gaetano Cresseri tra il 1913 e il 1933. La Cappella dell’Adorazione a sinistra dell’altare è arricchita da una vetrata eseguita da Paolo Furia. Nella cripta, sulla parete alle spalle dell’altare, si trova un mosaico realizzato da Trento Longaretti tra il 1959 e il 1961, raffigurante l’Agnello Eucaristico.
1594 – Il santuario fu edificato per volere della comunità trevigliese per celebrare il ricordo dell’evento miracoloso del 28 febbraio 1522 quando, mentre le truppe francesi e svizzere capitanate dal generale Lautrec erano prossime a saccheggiare il borgo di Treviglio, un affresco conservato nel monastero delle Agostiniane raffigurante la Vergine, iniziò a piangere lacrime vere. La città di Treviglio fu così risparmiata. La costruzione della chiesa prese avvio nel 1594 e terminò nel 1619, anno in cui fu celebrata la prima messa, officiata dal cardinale milanese Federico Borromeo.
1700 – La facciata fu realizzata nel corso del XVIII secolo.
1835 – Il campanile fu costruito in corrispondenza della facciata, sul fianco sinistro dell’edificio, tra il 1835 e il 1838.
1899 – Su progetto dell’architetto Cesare Nava fu aggiunto l’ampio transetto e la maestosa cupola, oltre alla cripta sottostante il presbiterio, un piccolo vano a tre navate con volte a vela sorrette da esili colonnine.
2009 – Nel 2009 sono stati attuati interventi di restauro e risanamento nella cripta: restauro delle murature, dei mosaici, delle vetrate istoriate. E’ stato inoltre installato un nuovo impianto di illuminazione.
2010 – Nel 2010 sono stati attuati interventi all’interno della sacrestia: installazione di nuovi impianti di illuminazione e di riscaldamento, tinteggiatura delle pareti della sacrestia e della Cappella feriale.
2015 – Tra il 2015 e il 2017 sono stati realizzati interventi di restauro e risanamento delle superfici esterne del Santuario.