L’intento del fondatore era quello di dotare di una sede definitiva il Collegio Teologico della Provincia Romana dei PP. Carmelitani Scalzi, di cui rimase privo a partire dal 1873, anno in cui lo Stato italiano soppresse il convento di Santa Maria della Vittoria.
La Chiesa conventuale, che dipende dalla Parrocchia di Santa Maria Maggiore, è opera dell’architetto bolognese Prospero Sarti è in stile rinascimentale, presenta una pianta a croce latina ed è a navata unica. La facciata è ornata da elementi decorativi in terracotta, realizzati degli scultori perugini Francesco Biscarini (1838 – 1903) e Raffaele Angeletti (1842-1899).
Le numerose opere di pregio presenti nel Santuario sono state eseguite su disegno dello stesso Sarti, mentre quelle in legno appartengono all’estro dell’artista Carlo Magni di Ceprano. Le decorazioni pittoriche sono state eseguite da noti artisti dell’epoca, tra i quali Alberto Albani ed Ettore Ballerini.
Nel 1958, il Convento è stato dotato di un ampio locale chiamato “Sala Regina Carmeli”, in cui si tengono conferenze e concerti d’organo di musica sacra. Mons. Carlo Livraghi, Vescovo della Diocesi di Frosinone-Ferentino-Veroli, il 21 Gennaio 1962 elevò la chiesa a Santuario Mariano Diocesano e, in ricordo di tale evento, sulla piazza del santuario fu inaugurata la monumentale fontana dedicata alla Madonna.