La realizzazione della chiesa fu commissionata nel 1738 all'architetto Bernardo Antonio Vittone dall'agiato banchiere Antonio Faccio, proprietario della Cascina del Valinotto e fondatore dell'Opera Pia Faccio-Frichieri, operante in Carignano ancora nel XXI secolo.

Il santuario sorge su un latifondo un tempo di proprietà del committente Antonio Faccio a qualche chilometro dal centro abitato di Carignano. Ispirato dalla scuola guariniana e juvarriana della vicina Torino, il Vittone ha concepito un'architettura caratterizzata dalla sobria eleganza esterna quanto ricca di affreschi all'interno; la chiesa è costituita da una navata unica con pianta a croce latina il cui transetto è sormontato da una complessa cupola traforata che la fa considerare uno dei migliori esempi dell'architettura barocca piemontese. Il lessico progettuale di Vittone è frutto di un'attenta considerazione del rapporto dei volumi tale da conferire all'interno effetti di luce di grande suggestione.

La decorazione interna, completata nel 1740, comprende un ciclo di affreschi di Pier Francesco Guala che culmina nella Gloria con Angeli e Santi raffigurante i maggiori protagonisti della Controriforma: San Filippo Neri, San Francesco di Sales, San Francesco Saverio e San Carlo Borromeo; l'affresco è scandito e inquadrato in prospettive geometriche a trompe-l'œil. Sulla base del tamburo della cupola sono invece affrescati i dodici apostoli e, salendo con lo sguardo, si può notare il gruppo di soggetti divini della Chiesa costituito da schiere di angeli, la Vergine e la Trinità. Il ciclo di affreschi parietali perimetrali raffigurano invece i sacramenti: battesimo, penitenza ed eucaristia.

La sacrestia, probabilmente parte dell'edificio preesistente, conserva invece l'affresco della Madonna del Latte, risalente al XVI secolo, rappresenta la Vergine Madre di Dio mentre allatta al seno l'infante Gesù, raffigurandola in una scena di nudo materno molto rara nella tradizione cattolica e che era stata esclusa nuovamente dal canone dell'arte sacra mariana decretato dal Concilio di Tento nel 1563.