E’ il maggiore edificio rinascimentale della città. La storia della basilica della Madonna ha origine il 17 luglio 1490 quando nella chiesa di Santa Maria Forisportam, nel 1515 denominata Santa Maria dell’Umiltà, si verificò un evento eccezionale: l'immagine della Madonna lacrimò acqua argentea. Per accogliere i numerosi devoti, fu allora decisa la costruzione di una grandiosa chiesa in cui ricollocare il muro con l'antica e miracolosa immagine. Iniziata alla fine del Quattrocento, l’edificazione durò più di mezzo secolo e vi posero mano vari architetti: Giuliano da Sangallo, Ventura Vitoni, Giorgio Vasari. Per il consolidamento delle strutture intervenne anche Bartolomeo Ammannati (1575), che curò la decorazione interna.
La facciata è decorata dal cinquecentesco portale del Parigi, circondato da due pilastri con nicchie. L'ampio vestibolo di ingresso introduce all'aula ottagonale, elemento tipico di gran parte dei santuari mariani costruiti in età rinascimentale.
All'interno si aprono sei cappelle, la più grande delle quali accoglie l'altare maggiore, opera del manierista fiorentino Pietro Tacca che sostituiva il precedente altare in legno oggi conservato nel Battistero. Un'edicola con colonne corinzie e un frontone curvilineo racchiude l'affresco miracoloso, traslato qui alla metà del Cinquecento quando fu ultimata la grande cupola che tanti problemi aveva creato a Giorgio Vasari che ne era stato l'artefice. Ai lati dell'altare maggiore si aprono, tra le altre, la Cappella dell'Annunziata e quella dell'Assunta in cui si possono ammirare opere attribuite a Ludovico Buti e Francesco Morandini, detto il Poppi. Il vestibolo fu decorato ai primi del Settecento da Giovan Domenico Piastrini, con scene del Miracolo e della costruzione della Basilica. La sacrestia sono custoditi preziosi arredi liturgici per lo più del Seicento.