Il complesso architettonico è costituito dalla chiesa e dall'antico convento dei Carmelitani e venne eretto tra il 1536 e il 1552 su disegno e progettazione attribuita all'ingegnere granducale Giovanni Alberto Camerini da Bibbiena, nel luogo in cui il 16 luglio 1535 la Madonna era apparsa ad una pastorella.
L'edificio sacro fu affidato alla conduzione prima dei Francescani Osservanti, poi dei Carmelitani, e infine dei Camaldolesi. La struttura è caratterizzata da notevoli dimensioni. Sull'altare maggiore si può ammirare una stupenda tavola cinquecentesca di scuola fiorentina rappresentante la Madonna con Bambino e San Giovannino, che si dice ricopiata nel 1536 da Niccolò Soggi, è inserita in un tabernacolo ornato di intagli in legno dorato a grossi fogliami con quattro putti, di stile barocco, ai lati. 
Il complesso ha subito restauri ottocenteschi ed è stato oggetto di un recente intervento di ripristino architettonico. 
L'impianto della chiesa è a croce latina con ampio transetto. Sul lato destro è addossato il campanile a vela datato 1566 e il chiostro. Le pareti dell'edificio sacro sono intonacate e tinteggiate sia esternamente che internamente. 
All'interno la copertura costituita da falde inclinate a capanna è sostenuta nell'aula unica da capriate in legno; La copertura dell'area absidale è costituita da una volta a crociera. 
L'adeguamento liturgico ha previsto, negli anni 1970-8O, un intervento strutturale dell'altare in marmo nell'area presbiteriale. 
Il 14 giugno 1987, mons. Giovanni D'Ascenzi, con proprio decreto, ha posto sotto la diretta autorità del vescovo pro-tempore della Diocesi di Arezzo – Cortona – Sansepolcro il santuario della Madonna del Carmine, nella parrocchia di Micciano, e fino ad ora, soggetto al pievano pro-tempore di quel luogo. Si riportano parti del decreto di mons. D'Ascenzi: “L' 11 luglio 1536 la Vergine santissima apparve ad una pastorella dodicenne Marietta Del Mazza in località Combarbio, comune di Anghiari. Le apparizioni si ripeterono nei giorni seguenti e la notizia si diffuse tra le popolazioni dell'alta Valtiberina, della valle della Sovara e dei dintorni, che accorsero sempre più numerose, manifestando fervida devozione verso la Madre di Dio. Le testimonianze storiche fatti miracolosi attribuiti all'intercessione della Vergine. I Vescovi di Arezzo e di Sansepolcro, venuti a conoscenza delle apparizioni e delle manifestazioni di popolo, esaminarono attentamente le testimonianze raccolte e riconobbero la veridicità dei fatti, autorizzando l'erezione di un santuario in onore di Maria SS.ma nel luogo stesso delle apparizioni. Il santuario, costruito in meno di tre anni per il concorso generoso particolarmente del popolo di Anghiari, fu affidato prima ai Padri francescani della Verna (1540) e successivamente (1548) ai Padri carmelitani, che vi rimasero fino al 1782. Il santuario prese il nome di santuario della Madonna del Carmine e lungo i secoli ha continuato ininterrottamente a richiamare la devozione delle popolazioni del territorio circostante. Una testimonianza fervida di fiducia e di amore alla Madonna del Carmine si ebbe la sera del'11 luglio 1986, compiendosi 450 anni dalla data della prima apparizione. All'inizio dell'anno mariano, indetto da Giovanni Paolo II, avendo riconosciuto la diffusione e la continuità storica della devozione verso la Madre di Dio che si venera nel santuario della Madonna del Carmine, sito in località Combarbio, comune di Anghiari, mons. Giovanni D'Ascenzi, vescovo di Arezzo – Cortona – San sepolcro, decreta che detto santuario sia posto sotto l'autorità del vescovo protempore di Arezzo – Cortona – Sansepolcro, affidandone la cura spirituale e la direzione ad un delegato vescovile, coadiuvato da un consiglio di amministrazione. La Vergine santissima, Madre di Dio e Madre nostra, accolga questo decreto come atto di ardente amore verso di Lei del popolo di Anghiari, di Sansepolcro e dell'alta Valtiberina e si degni di benedire il clero, i religiosi, le famiglie, particolarmente la gioventù, che affidiamo con fiducia al suo Cuore di Madre”.