In seguito, fu inaugurata nel 1638 e dedicata a Santa Maria e a San Biagio martire. Dopo un secolo, nel 1739, la chiesa fu demolita per venire incontro alle esigenze di una chiesa più grande visto il moltiplicarsi della popolazione durante il periodo delle "ampliazioni", come molte Chiese di Senigallia e, nello stesso anno, fu posta la prima pietra del nuovo tempio, così che, nel 1745 fu consacrata alla venerazione della Madonna del Carmine. Negli anni successivi fu terminato anche l'annesso Convento dei Carmelitani.
La chiesa è in stile sobriamente settecentesco, in cui predominano i colori rosso ed oro, ha un unica navata con tre altari, conserva una bella pala d’altare, probabilmente della vecchia chiesa, è un dipinto a olio su tela, raffigurante la "Madonna del Carmelo che dona lo scapolare a San Simone Stock", attribuita al pittore jesino Antonino Sarti, un quadro rappresentante S. Teresa Lisieux e un organo a canne. L'altare di destra accoglie una Natività appartenente alla scuola del Barocci. Conserva anche un olio su tela raffigurante “La Sacra Famiglia con San Giovannino e il Padre Eterno”, attribuita ad un pittore di ambito marchigiano e risalente al primo quarto del secolo XIX.
Inoltre, sotto l’altare è collocata un’urna con una reliquia di S. Valentino tratta nel 1807 dalle catacombe di S. Priscilla in Roma e donata al Priore dell’epoca, dal Cardinale Domenico Lucciardi nel 1853, come risulta da un documento del XIX secolo.
Sulla facciata della Chiesa è stata inserita una terracotta modellata in bassorilievo, riproducente lo Stemma papale di Pio XI, senza conoscerne quando e per quale motivo, mentre, Senigallia ha dato i natali a Papa Pio IX.
Attualmente vengono celebrate due messe al mese. 
Il terremoto del 1930 procurò gravi danni alla chiesa e al convento, tanto da rendere necessari numerosi restauri negli anni seguenti e la chiesa fu riaperta al pubblico solo nel 1934. 
La Chiesa del Carmine è oggetto di culto per la venerazione principale alla Madonna del Carmine, oltre agli altri santi sopra rappresentati. Si trova in posizione defilata, nel centro storico ed è degna di essere visitata, ma dal novembre 2019  è stata resa inagibile perché la tromba campanaria risulta pericolante e, per garantire l’incolumità dei fedeli, ma anche delle tante persone che la visitano, la chiesa è stata chiusa.