Le cinque sorelle Barbara, Camilla, Elisabetta, Catarinetta ed Angela, (figlie di Baldassarre Fiamberti e Margherita Blasio) in compagnia dei genitori e dei fratelli originari di Arcola, al termine della messa di Pentecoste del 21 maggio 1566, celebrata nella pieve dei Santi Stefano e Margherita di Baccano, dal sacerdote don Giacomo Picedi, si recarono presso la loro campagna. Al suono della campanella dell'oratorio degli Olivetani, le fanciulle interruppero i loro giochi per raccogliersi in preghiera recitando il Rosario, e quando giunsero alla recita dell'Angelus, apparve a loro nella località di Carbonara, sopra l'unica pianta verde, una pianta di rosmarino, una "Signora avvolta in una nuvola luminosa affiancata da due Angeli". Secondo la ricostruzione, Maria disse loro tranquillizzandole: "Non temete, o figlie, io sono Maria, la Madre di Gesù Cristo, la Regina degli Angeli". Il popolo edificò sul luogo della apparizione un santuario. Nella visita apostolica, fatta nel 1584, solo 28 anni dopo l'apparizione, da Angelo Peruzzi, vescovo di Sarsina, si rileva dall'archivio parrocchiale.

 

I lavori per la costruzione della chiesa iniziarono nello stesso 1556 per concludersi nel 1558; il titolo di patrona della comunità di Arcola venne concesso dalla Repubblica di Genova poco dopo.

 

L'incoronazione ufficiale avvenne nel 1910 per le mani del cardinal Pietro Maffi dell'arcidiocesi di Pisa.

 

La struttura architettonica della chiesa è caratterizzata da tre navate, separate da colonne di ordine ionico. Sotto al presbiterio è la cappella dell'Apparizione.

 

All'interno, oltre ad un gran numero di ex voto, è conservata la statua che raffigura la Vergine Maria, opera dello scultore Battista Orsolini di Carrara eseguita nel 1624. Dietro l'altare maggiore sono due affreschi di Luigi Agretti, del 1911: l'Apparizione della Vergine alle cinque sorelle e l'Incoronazione.

 

Presso la cappella del Santissimo Rosario, a sinistra dell'altare maggiore, sono esposte la statua lignea dello scultore Pietro Gavè di Massa e una tela di Andrea Podenzana del 1688. Del pittore spezzino Giambattista Casoni, del XVII secolo, sono le opere dell'Annunciazione e La croce e le pie donne.