La basilica venne eretta nel 1484 intorno a una delle quattro porte presenti nelle mura cittadine: la porta San Lorenzo che guardava verso Siena. Fu dedicata alla venerata immagine della Madonna, alla quale veniva attribuito il miracolo di aver assecondato le preghiere di monna Tancia, a favore del proprio nipote di tre mesi, Lorenzo, al quale era morta di peste la madre: non si trovavano nutrici a causa dell'epidemia, ma la nonna avrebbe potuto miracolosamente allattarlo personalmente. L'episodio risale al 1478. Nel tempo il luogo cessò la funzione strategica di accesso alla città per diventare luogo di culto, prima con l'apporto di un tabernacolo, poi di una cappella e poi con la costruzione della chiesa. La costruzione fu terminata nei primi venti anni del secolo successivo ma fu successivamente arricchita per gli anni a seguire. La facciata fu poi rimodernata in stile neoclassico fra il 1840 e il 1856. Nel gennaio del 1929 papa Pio XI elevò la chiesa alla dignità di basilica minore.

 

Alla chiesa si accede attraverso una doppia scalinata; dalla porta centrale, coronata da una lunetta di Giovanni della Robbia databile al 1513, si giunge all'antica cappella del miracolo. L'interno è diviso in tre navate con colonne che sorreggono dodici volte a vela affrescate. Tra il 1698 e il 1704 le volte furono decorate. Tra il 1720 e il 1725 fu costruita la grande cappella a sud della chiesa. La grande rotonda risale alla fine degli anni cinquanta del XX secolo, al posto della cappella settecentesca distrutta durante la Seconda guerra mondiale; all'interno di essa, in una nicchia, trova luogo l'organo a canne Mascioni opus 816, costruito nel 1963, che dispone di 31 registri su due manuali e pedale.