Fondée en 1602 sur l'ordre du Grand-duc Ferdinand Ier de Médicis, la basilique de la Madonna della Fontenuova est située au cœur de Monsummano Terme et se dresse à l'emplacement d'un ancien tabernacle, qui fait aujourd'hui partie du maître-autel. Le tabernacle contient une fresque représentant la Vierge à l'Enfant avec quatre saints grâce auquel il paraît que de nombreux miracles se seraient produits. Selon la tradition, le 7 juillet 1602, un prêtre pria la Vierge Marie pour mettre fin à la sécheresse qui sévissait dans la région, et voilà qu'une source commença à jaillir non loin de l'image vénérée. C'est à la suite de cet épisode que le Grand-Duc Ferdinand Ier décréta la construction du sanctuaire, en confiant la réalisation du projet à Gherardo Mechini, qui travaillait déjà sur la Villa médicéenne à Montevettolini. Le 30 décembre de la même année, le prince Cosme posa la première pierre du Sanctuaire, dont la construction fut achevée en 1605.
Le bâtiment, d'une rare élégance et d'une composition sobre, est d'un grand intérêt pour son homogénéité stylistique et pour la continuité harmonique entre la structure architecturale et les précieuses décorations. Avec son plan traditionnel en croix latine, l'église à nef unique est entourée sur trois côtés d'un portique d'où part un escalier raide menant à la fontaine. Le magnifique portail d'entrée a été sculpté par l'ébéniste de Pistoia Giovanni Desideri, qui a également conçu le plafond en bois de l'église.
Sous la loggia, on peut voir quatorze lunettes peintes entre 1630 et 1633 par Giovanni Mannozzi da Sangiovanni, racontant l'histoire du Sanctuaire et les miracles de la Vergine della Fontenuova.