Fundada en 1602 por el Gran Duque Fernando I de Médici, la basílica de la Virgen de Fontenuova se encuentra en el corazón de Monsummano Terme y fue erigida en el lugar donde había un antiguo tabernáculo, que ahora forma parte del altar mayor. El tabernáculo presenta un fresco que representa a la Virgen con el Niño y cuatro Santos a los que se atribuyen diversos milagros. Según la tradición, el 7 de julio de 1602, un sacerdote rezó a la Virgen para que pusiera fin a la sequía que estaba padeciendo el territorio, y fue así que brotó un manantial no lejos de la venerada imagen. Tras este episodio, el Gran Duque Fernando I decretó la construcción del santuario, encargando el proyecto a Gherardo Mechini, que ya trabajaba en la Villa de los Medici de Montevettolini.
El 30 de diciembre de ese mismo año, el príncipe Cosme colocó la primera piedra del Santuario, cuya construcción se terminó en 1605.
El edificio, de rara elegancia y sobria composición, es de gran interés por su homogeneidad estilística y por la armoniosa continuidad entre la estructura arquitectónica y el preciado aparato decorativo. De planta tradicional en cruz latina, la iglesia, de una sola nave, está rodeada sobre tres lados por un pórtico desde el cual, pasando por una empinada escalera, se llega a la fuente.El hermoso portal de entrada fue tallado por Giovanni Desideri, un carpintero de Pistoia que también diseñó el techo de madera de la iglesia.
Bajo la logia se pueden ver catorce lunetas realizadas entre 1630 y 1633 por Giovanni Mannozzi da Sangiovanni, que cuentan la historia del Santuario y los milagros de la Virgen de Fontenuova.