È conosciuta comunemente come Chiesa della Sabbionara, poiché la leggenda vuole che l’icona della Madonna venisse trovata sotto la sabbia del vicino fiume Samoggia.
Di dimensioni modeste, il santuario presenta esternamente una facciata a capanna in mattoni di sapore vernacolare. All'interno, inaspettatamente, le pareti e le volte sono affrescate con motivi floreali in toni pastello, benché fortemente degradate dall'umidità e dalla risalita capillare dell’acqua. 
Le origini del Santuario sono anteriori al 1586, anno in cui è citata nel verbale di una visita pastorale tenuta nella Pieve di Santo Stefano, dal Visitatore Generale, inviato dal cardinale Gabriele Paleotti, arcivescovo di Bologna (1566-1597).
Il documento definisce la Chiesa come “oratorio” ed attesta che in essa si celebrava spesso e dunque vi era una notevole frequentazione da parte dei fedeli. In seguito al richiamo dell’autorità ecclesiastica, in occasione della visita pastorale del 18 settembre 1600, l’edificio venne tinteggiato esternamente di rosso e internamente di bianco, come era uso per tutte le chiese ‘curate’, e il tabernacolo fu posto sull'altare.
Negli anni seguenti si provvide sempre a rinfrescare queste tinte, seguendo le disposizioni date durante le visite pastorali successive. 
In origine, il santuario, era di dimensioni inferiori a quelle attuali, poiché una porzione della chiesa odierna era in realtà occupata dal portico, che si apriva sulla parte anteriore dell’edificio, aggiunto alla costruzione nel 1630, in occasione della ristrutturazione del santuario avviata in quell'anno, per voto dei parrocchiani, grati per la liberazione dalla peste. 
Nel registro delle entrate e delle spese della chiesa si legge infatti: “Adì [primo di settembre 1630]. Per far [s]cavar li fondamenti di quattro pilastri per il portico [si sono] pagati lir due di denari".  
Successivamente cambia il titolo da Madonna delle Grazie a Madonna del Carmine, contestualmente alla nascita della Confraternita della Beata Vergine del Carmine. Questo sodalizio venne sancito il 20 marzo 1631 tramite bolla del padre Filippo Castagnoli dell’ordine Carmelitano del convento di S. Martino Maggiore di Bologna, in occasione della sua venuta a Bazzano come predicatore. 
La ristrutturazione dell’edificio comportò anche la costruzione della sacrestia, che venne iniziata nel 1631, e l’acquisto di una campana nuova per il campanile. 
Nel 1879, a spese dell’economo parrocchiale Don Alessio Lodi, la Chiesa del Carmine venne restaurata per la seconda volta e si può presumere che in quella occasione venisse chiuso il portico antistante, inglobandolo nel corpo della chiesa, che divenne in tal modo più ampia. 
Proprio in virtù di questo restauro e considerata la grande frequentazione di questa chiesa, il cardinale Lucido Maria Parocchi, arcivescovo di Bologna, attribuì a essa il titolo di "santuario", con tutti i relativi privilegi che derivavano da ciò, e accordò “indulgenza di 100 giorni per una volta al giorno a chiunque verrà a visitarlo e vi reciterà le Litanie lauretane o sette Ave Maria”. 
Il santuario, a una sola navata, fu completamente affrescato nell'Ottocento dal bazzanese Pio Passuti, che lo abbellì con decorazioni allegorico-floreali. Presumibilmente ciò dovette avvenire dopo la visita pastorale del 1879, poiché nel verbale relativo si legge: “Agli angioletti con poca decenza mal pinti nella volta dell’abside si sostituiscano i simboli o le immagini delle virtù”.  
E infatti il Passuti, proprio in questo spazio, dipinse i simboli della prudenza, della giustizia, della fortezza e della temperanza: le quattro virtù cardinali, appunto. 
Sull'altare era posto il quadro della Madonna col Bambino, di autore anonimo, ma attribuibile al XVII secolo, trafugato alcuni anni fa e sostituito da una copia. In occasione della visita pastorale del 15 luglio 1700 si dispose che il dipinto fosse dotato di un sistema di corde, per poterlo abbassare, quando si voleva permettere ai fedeli di toccare l’immagine della Madonna. 
Ai lati di questo quadro erano presenti, e lo sono tuttora, altri due dipinti, anch'essi d’autore anonimo e attribuibili allo stesso periodo, raffiguranti rispettivamente S. Sebastiano e S.Rocco, i santi invocati a protezione della peste. 
Alla parete a sinistra è appeso un grande crocifisso, che fu acquistato a Bologna e portato processionalmente nel santuario il 4 novembre 1921. 
L’ultimo intervento di risanamento a cui la chiesa fu sottoposta risale al 1996, quando ‒ per iniziativa dei Lions Club “Bologna - Valli Lavino Samoggia” e “Bazzano Rocca dei Bentivoglio” ‒ i basamenti delle pareti dell’edificio furono impermeabilizzati, per fermare il deterioramento degli intonaci e dei sovrastanti dipinti. 
Per quanto riguarda le funzioni liturgiche, che si svolgono da epoca remota presso il santuario, vanno senz'altro ricordate le “Rogazioni” ‒ ossia le processioni con cui nel mese di maggio si porta nei vari quartieri del paese l’immagine della Madonna della Sabbionara ‒ e la festività della Beata Vergine del Carmine, che a luglio vede raccolti in preghiera presso il santuario i confratelli del Carmelo e gli altri fedeli. 
Il volume parallelepipedo dell'aula sorge distaccato dal tessuto vicino, in un prato. A sinistra della facciata, in continuità con la parete absidale, si vedono i resti della canonica, parzialmente demolita a causa di problemi strutturali. 
Il sagrato, inerbito, è separato dalla strada da una siepe. La facciata a tempietto, in muratura a vista, è tripartita da paraste che sorreggono una trabeazione ornata con triglifi, a sua volta sormontata da un timpano triangolare.
Al di sopra del portale è presente un'apertura e mezzaluna. Ai lati dell’ingresso sono presenti due aperture esagonali, protette all'esterno da grate in ferro. I fianchi e la parte retrostante il presbiterio sono intonacati di color giallo chiaro. La copertura è a falde con manto in coppi. 
Il piccolo ambiente interno è di grande suggestione per le inattese superfici interamente affrescate, nelle tinte rococò di verdi, bianchi e rosa. Le paraste sugli alzati scandiscono l'aula in tre campate voltate a botte, di cui la prima e la terza lunettate.
Il presbiterio, rialzato di un gradino e separato da una balaustra, occupa l'ultima campata. Qui gli alzati ospitano due cantorie simmetriche, soprastanti due accessi laterali in disuso. A lato dell'abside sono ricavati gli accessi a due piccoli ambienti di servizio, adibiti a sagrestia e ospitanti i vani scala che recano alle cantorie. 
L’assemblea siede su due file di panche in legno disposte a battaglione frontalmente al presbiterio. Il presbiterio, rialzato di un gradino e chiuso da una balaustra in ferro, contiene l’altare pre-conciliare, su cui è appoggiato il tabernacolo, nella conca absidale, l’ambone sul lato destro e la sede per il celebrante, nonché un semplice tavolo in legno che svolge all'occorrenza la funzione di altare post- conciliare. La sede del parroco, situata sul lato destro del presbiterio, è in legno e priva di braccioli. Un confessionale in legno è appoggiato alla parete a sinistra dell’ingresso.