Attualmente la zona è denominata del "Carmine", ma anticamente era indicata col toponimo "Marano" (probabilmente dal nome personale Marianus). Il toponimo "Carmine" è stato assunto dopo che in un piccolo convento che sorgeva nei pressi dell'attuale chiesa, presero dimora i carmelitani scalzi (sec. XVI-XVII).
Nell'antico dipinto, collocato nella parete sopra l'altare e raffigurante la Vergine del Carmelo, si può possibile leggere una pagina di storia fanese. Il dipinto è attribuito a Pompeo Morganti che lo eseguì nella terza decade del Cinquecento come pala d’altare della primitiva chiesa dei Padri Carmelitani nella località Prelato. Questi religiosi erano giunti a Fano nel 1505 e si insediarono sul Monte Castagneto, l’attuale Prelato. 
Nel 1511 la comunità fanese diede contributi per la costruzione di un convento dove, però, i frati rimasero solo una cinquantina d'anni. Nel 1559, infatti, presero possesso di una chiesetta con convento attiguo su una ripa del fiume Arzilla, Santa Maria di Marano, oggi Santa Maria del Carmine. Ma chiesa e convento erano poverissimi, senza risorse sufficienti a mantenere tutti i frati; fu così che la chiesa, lasciata dai frati, fu affidata a un sacerdote secolare. Da allora il "Carmine” rimase una piccola chiesa di campagna, senza storia. 
Nella pala d'altare del Morganti sono raffigurati, oltre alla Vergine, i Santi carmelitani Angelo (da Gerusalemme), Alberto (degli Abati), Elia (il Profeta) ed Eliseo (il Profeta). Inginocchiata è Caterina d'Alessandria, molto venerata da questi religiosi, mentre l'altro personaggio inginocchiato potrebbe essere Costantino Comneno (1456-1530) che nel 1514 ottenne da Leone X la signoria di Fano. Lateralmente vengono presentate dieci scenette, testimonianze di pericoli scampati per intervento della Vergine. 
Nel 1736 il vescovo di Fano Giacomo Beni aveva posto la chiesa nella giurisdizione del quartiere Roncosanbaccio e tale rimase fino al 1914 quando, per volere del vescovo Vincenzo Franceschini, fu affidata alla cura dei Padri Agostiniani della nuova parrocchia di San Giuseppe al Porto.  
Gli Agostiniani per oltre cinquant'anni svolsero il ministero pastorale al Carmine, aiutando la popolazione nei periodi più difficili come durante il terremoto del 30 Ottobre 1930 (con epicentro a Senigallia, magnitudo 6 della scala Richter). 
La ditta romana, chiamata a ricostruire questa ed altre chiese del circondario fanese (San Liberio, San Cesareo, San Pasquale e San Michele al Fiume), sotto la direzione di Monsignor Spirito Maria Chiappetta, si adoperò nella riproposizione di quello stile gotico che, proprio nei primi decenni del Novecento, godette di un forte revival. 
La comunità agostiniana trovò rifugio al Carmine anche durante l’ultimo conflitto mondiale. Solo nel 1967, per volere del vescovo Costanzo Micci, venne istituita la parrocchia di Santa Maria del Carmine. 
La Chiesa è stata restaurata nel 1977 e di nuovo in anni recenti per problemi di cedimento del terreno che compromettono gravemente la stabilità dell'edificio. 
Un'ampia scalinata conduce al sagrato antistante la chiesa a cui è strutturalmente annesso, sulla sinistra, il corpo di fabbrica della canonica.  
La facciata in mattoni a vista è compresa tra pilastri angolari a tutt'altezza e, in alto, il profilo a capanna del tetto è rimarcato dal cornicione modanato e dalla sottostante teoria di archetti pensili, che prosegue su tutti i lati dell'edificio.  
I prospetti sono caratterizzati, oltre che dall'uso del mattone a vista, dal ritmato susseguirsi di lesene a tutt'altezza che ripartiscono le superfici, anticipando all'esterno la ripartizione interna della navata in campate.  
Al centro del fronte principale, compresi entro una grande arcata cieca, stanno il rosone polilobato e il portale strombato, coronato dalla statua del Sacro Cuore di Gesù; nella lunetta è inserito un bassorilievo raffigurante Cristo tra i Santi Pietro e Paolo.  
Una bussola in legno con ante specchiate funge da filtro tra l'esterno e l'aula; questa è a navata unica con pianta rettangolare, coperta da tre volte a crociera.  
Gli esili costoloni delle volte scendono fino a terra addossandosi ai semipilastri che suddividono lo spazio in tre campate, di cui quella centrale lunga il doppio delle laterali.  
Sul fondo conclude l'aula un'abside semicircolare coperta con catino a vele. Una porta sulla parete sinistra del presbiterio collega la chiesa con la sacrestia e la canonica. Illuminano l'interno, oltre al rosone, le molteplici monofore e bifore aperte sui fianchi e nell'abside. 
Il tetto è sostenuto da capriate in legno; all'interno il controsoffitto in cannucciato disegna tre volte a crociera. Il manto di copertura è in coppi.
Cornici e portale della facciata sono in cemento prefabbricato.