Fondata nel 1602 per volontà del granduca Ferdinando I de' Medici, la basilica della Madonna della Fontenuova costituisce il cuore storico e urbanistico di Monsummano Terme. Il Santuario sorge sul luogo di un antico tabernacolo, oggi inglobato nell'altare maggiore, che reca l'immagine della Vergine col Bambino tra quattro Santi, al quale furono riferiti vari eventi prodigiosi.

Il granduca Ferdinando di Toscana decretò la costruzione del tempio nel luogo dove era scaturita la fonte miracolosa, incaricando del progetto l'architetto Gherardo Mechini, già impegnato nei lavori della Villa Medicea di Montevettolini. Il 30 dicembre di quello stesso anno il gran principe Cosimo pose la prima pietra del Santuario.

Come per la villa, la direzione del cantiere fu affidata a Domenico Marcacci, che portò a termine la costruzione dell'edificio nel 1605.

La Basilica fu consacrata nel 1616, ma la decorazione degli interni si protrasse ancora a lungo, come attestano i Registri dell'Opera, sui quali sono annotate tutte le spese per la fabbrica. L'edificio, di rara eleganza e sobrietà compositiva, riveste grande interesse per la sua omogeneità stilistica e per l'armonica continuità tra la struttura architettonica ed i preziosi apparati decorativi.

Di tradizionale impianto a croce latina, ad una sola navata, la chiesa è circondata su tre lati da un portico, dal quale si accede, attraverso una ripida scala, alla fonte.

L'edificio si impone sullo spazio della grande piazza circostante con la sua struttura articolata secondo moduli geometrici di rigore classico, ma aggiornata nella decorazione plastica al linguaggio del tardomanierismo e del barocco, come denunciano le volute dei capitelli e le modanature dei portali.

Sotto il loggiato, quattordici Lunette dipinte dal fiorentino Giovanni Mannozzi da Sangiovanni narrano la storia del Santuario e dei miracoli della Vergine della Fontenuova: furono eseguite tra il 1630 ed il 1633, quando il pittore si rifugiò in Valdinievole per sfuggire alla peste che infuriava a Firenze.

La lunetta centrale della facciata, sovrastante l'ingresso, fu dipinta nel 1606 dal senese Ventura Salimbeni con le allegorie della Fede e della Speranza, mentre a completare le virtù teologali fu posto al centro della lunetta il ritratto marmoreo della granduchessa Cristina, che Leonardo, figlio di Domenico Marcacci, raffigurò nelle vesti della Carità.

Il bel portale di ingresso fu intagliato dal legnaiolo pistoiese Giovanni Desideri, autore anche del soffitto ligneo della chiesa, che si rivela all'interno un vero e proprio scrigno colmo di tesori d'arte.