Su progetto di Lorenzo da Bologna, la basilica fu eretta nel XV secolo, sui resti di una chiesa precedente, ricostruita nel Trecento dai frati carmelitani. I lavori iniziarono nel 1335, ma la basilica fu consacrata solo nel 1446. L’edificio subì varie traversie: nel 1491, per una forte nevicata, crollò la copertura lignea e si salvò soltanto l’abside poligonale. La ricostruzione, iniziata nel 1494, fu curata da Francesco Donato e Zuan de Riccardo; intervennero poi Pietro A. degli Abati - autore della cupola - Lorenzo da Bologna e Maestro Bertolino, che costruì gli arconi laterali. Infine, dal 1503 vi pose mano il “maestro muraro” Biagio da Ferrara. Nel 1576, fu trasferita in questa chiesa un’immagine della Madonna del Carmine, il cui culto era cresciuto dopo la repentina fine della peste. Nel 1696 un terremoto fece crollare la volta cinquecentesca e nel 1800 bruciò la cupola. Nel 1810 la chiesa e l’annesso convento furono soppressi e divennero beni demaniali; ma Vescovo Dondi Dall'Orologio otteneva che vi fosse trasferita la parrocchia da San Giacomo ai Carmini.
La facciata attuale è incompleta: l'opera di Giovanni Gloria si arrestò nel 1737 allo zoccolo e al portale di ingresso. Le statue della Madonna e di Due sante - sopra il timpano del portale - sono opera di Tommaso e Michelangelo Bonazza (1736). La bella porta lignea risale al 1412.
L’interno è solenne e grandioso: l’unica navata è sovrastata da una volta a lunette, rifatta nel Settecento. Sei cappelle con catino scandiscono ciascuna delle due pareti laterali; sopra ogni cappella si trova una tela e - all'interno di alcune cappelle - sono collocati stemmi patrizi.
La Basilica è ricchissima di opere d’arte. Particolarmente pregevoli sono: le tele di A. Varotari detto il “Padovanino”, quali la pala Cristo indica la croce a Giacomo e Giovanni e alla loro madre, e L’Annunciazione; le acquasantiere all’ingresso, opere del Bonazza; gli arconi del coro; le tele secentesche di G.B. Bissoni; la cappella della metà del Trecento - nel vano del campanile - che assieme alla corrispondente sul lato occidentale dell'abside costituisce l'unica parte rimasta della Chiesa trecentesca.
Scoletta del Carmine. La Scoletta si trova accanto alla Basilica e conserva capolavori artistici del Rinascimento. Eretta nel Trecento dalla confraternita omonima, la Scoletta mostra - in particolare - stupendi affreschi del Cinquecento, con storie di Cristo e della Vergine. Il ciclo degli affreschi è formato da opere di Girolamo Tessari detto “dal Santo” (Cacciata di Gioacchino dal Tempio, Apparizione dell'Angelo a Gioacchino, Santa Famiglia di Nazareth, Pentecoste, Dormitio Virginis, Assunzione di Maria), Giulio Campagnola (Natività di Maria, Presentazione di Maria al Tempio, Visita di Maria al Tempio) Domenico Campagnola (Incontro di Gioacchino con Sant'Anna), Stefano dall'Arzere (Adorazione dei pastori, Adorazione dei magi e Purificazione).