I lavori di edificazione del santuario iniziarono nell'agosto del 1558, un anno dopo l'apparizione della Madonna al contadino Chichizola.
L'opera di edificazione e della sua direzione fu affidata al maestro Tommasino Lagomaggiore, il quale progettò un tempio ad un'unica navata, con facciata in marmo molto diversa dall'attuale.
Nel corso di una visita nel 1582 da parte del vescovo di Novara, monsignor Francesco Bossio, si prescrivono alcune modifiche alla chiesa, sollecitate dallo stesso vescovo novarese. Nei lavori di modifica si adeguò all'ampliamento dell'altare collocando sullo stesso una pietra sacra, più grande, e una maggiore copertura a protezione dalla polvere.
Altri ampliamenti strutturali, all'interno del tempio, vennero attuati nel 1640, realizzando i nuovi altari laterali che poterono così accogliere preziosi dipinti e tele. Ancora oggi conservati le tele di Luca Cambiaso (L'Annunciazione) e di Nicola Carlone (La Visitazione e L'Addolorata), oltre che al crocifisso in marmo bianco di Francesco Schiaffino. Il quadretto bizantino donato dalla Vergine Maria venne collocato sull'altare dentro un padiglione d'argento, donato nel 1743 dal nobile Tomaso Noce.
Nel 1867 si rinnovarono gli interni aggiungendo nuovi capitelli, lesene e stucchi ad opera dello scultore Pietro Delucchi. La realizzazione dei quattro affreschi della volta venne affidata al pittore Francesco Boero che riprodusse fedelmente la storia legata al quadretto bizantino (vedi riquadro più in basso) donato da Maria al contadino.
L'abside fu invece affrescato da Nicolò Barabino, riproducendo la scena dell'apparizione mariana.
Il tempio assunse così le sue attuali dimensioni: 25 metri di lunghezza, 11 di larghezza e 12 di altezza.
Alla fine del XIX secolo il santuario venne dotato di un nuovo altare maggiore, donato nel 1882 dal zoagliese Giambattista Morello, e modifiche importanti alla facciata marmorea, affidati all'architetto rapallese Luigi Rovelli.
Rovelli ridisegnò completamente l'esterno del tempio con marmi, guglie, fregi ed archetti, richiamando lo stile gotico lombardo. Una solenne cerimonia, il 21 giugno 1896, pose fine ai lavori di rifacimento della facciata, del nuovo campanile cuspidato (30 metri) e della nuova scalinata in pietra.
Altri lavori di rilevanza architettonica sono stati poi portati a termine nel corso del XX secolo. Tra essi si segnalano le vetrate policrome (1937 - 1938), le porte in bronzo (1957) e la nuova pavimentazione in ardesia del piazzale nel 1982.