Presenta una pianta ottagonale con quattro brevi bracci, coperta da cupola. Dinanzi all'ingresso si erge un portico semicircolare; varcata la porta si può ammirare la preziosa bussola realizzata da un valente artigiano nel 1883. Tra le opere più importanti conservate all'interno del Santuario si ricorda il Martirio di San Vincenzo, dipinto da Giovanni Ventura Borghesi nel 1699, collocato nella cappella laterale destra dedicata al santo. In fondo alla chiesa domina l'altare maggiore al cui interno è collocata l'immagine prodigiosa della Vergine Maria. Nel corso del tempo la devozione verso la Madonna di Belvedere andò via via aumentando ed il Santuario divenne uno dei centri mariani più conosciuti dell'Italia centrale e la sua fama arrivò fino a Roma, tanto che nel 1703 la sacra immagine fu solennemente incoronata con licenza del Capitolo Vaticano. Dal piazzale antistante la chiesa si gode uno splendido panorama non solo sulla città, con i suoi campanili, ma anche sull'Alta Valle del Tevere, dal monte della Verna fino a Monte Acuto, nei pressi di Umbertide.