E' costruito su un breve pianoro ai piedi di uno sperone roccioso che determina un’ansa della stessa SS 64 Porrettana. La località è definita fin dal medioevo Sasso Pertuso (ovvero bucato, tagliato), individuabile proprio nel punto ai piedi del monte Radicchio ben visibile alle spalle del santuario. A sud del santuario un ponte valica il fiume Reno e raggiunge il piccolo abitato di Casetta. 
L'immobile presenta una struttura ad aula con copertura a capanna e ali laterali entro le quali si inscrivono sei brevi cappelle; aula e cappelle sono voltate a botte. Il presbiterio, a pianta quadrangolare, è anch'esso voltato a botte e prende luce da due finestrelle laterali ovali.  
Il Santuario ebbe origine seicentesca: come altre chiese della zona fu edificato come ex voto dopo la peste che colpì l’Italia settentrionale nel 1630. Era infatti dedicato, in origine, ai Santi Rocco e Sebastiano ed è a lungo ricordato come oratorio.  
Viene citato come tale per la prima volta nella visita pastorale effettuata da don Pietramellara, per conto del Card. Colonna, alla parrocchia di Sant'Apollinare di Calvenzano, nel 1633, dove si parla di un oratorio nuovo nel luogo detto ‘al Bosco’.
Dopo l’insediamento della Confraternita della Madonna del Carmine, avvenuta nel 1641, e la collocazione della statua della “Madonna dello Scapolare” fra i santi dedicatari, la chiesa ha cambiato titolazione in Madonna del Carmine. 
Già in origine l’edificio viene descritto coperto a capanna, a pianta rettangolare, con una sagrestia dietro l’altare e una piccola canonica. Da una misurazione settecentesca si apprende che l’oratorio era lungo m. 7,6 (20 piedi), largo m. 4,18 (11 piedi) e alto m. 5,7 (15 piedi), il presbiterio era illuminato da due finestre con inferriata e nella facciata si aprivano altre due finestrelle ovali.  
Nel 1700 fu dato ordine di restaurare il portico antistante la facciata, elemento comune a molti oratori o santuari della montagna. In data imprecisata il presbiterio venne coperto con volta in muratura. 
Nel 1908 l’oratorio venne radicalmente restaurato dal canonico Quinto Ungarelli, fino ad assumere la forma e le dimensioni attuali. Nel 1926 fu elevato a Santuario. 
Durante la seconda guerra mondiale l’intera area di Calvenzano e, con essa, il santuario della Madonna del Bosco, furono duramente colpiti a causa della vicinanza con la ferrovia di Porretta. L’oratorio venne restaurato nel dopoguerra, in date non precisate (1944-1950), ripristinando le forme che aveva assunto nel 1908. 
A causa delle infiltrazioni d’acqua nel 2014 fu rifatto il coperto della chiesa. 
L’aula liturgica è aggregata orizzontalmente con un edificio a pianta quadrangolare addossato alla parete di fondo del presbiterio che comprende la sagrestia, al piano terra, e stanze d’abitazione ai piani superiori. 
L’aula è preceduta da un breve sagrato erboso conformato a terrazza al quale si ascende dalla SS 64. La facciata ha una sezione centrale a capanna arginata da lesene con capitelli d'ordine tuscanico a sorreggere un timpano ornato da croce su cippo lapideo scolpito. La facciata presenta membrature color arenaria e campi murari in bianco panna. 
Il portale è preceduto da quattro gradini e inquadrato da una cornice, finestra rettangolare in asse, affiancata da due brevi ali raccordate da salienti a voluta. Il fianco sinistro è caratterizzato dal volume sporgente che comprende le cappelle laterali; all'altezza del cleristorio si apre un’unica finestra rettangolare.
Il presbiterio ha pianta quadrangolare; nei fianchi si aprono due finestre ovali mentre la parete di fondo è interamente celata dal volume di un edificio che comprende sagrestia e canonica la cui copertura sovrasta il tetto della chiesa. Il fianco destro ripete volumi e aperture del sinistro. L’esterno dell’aula è interamente intonacato e finito a tempera.
La pianta è ad aula, con tre cappelle laterali per parte e abside quadrangolare. Si accede all'aula mediante un portale a due battenti privo di bussola. L’aula è pavimentata a cementine.
Le pareti sono ritmate in tre campate scandite da lesene con capitelli ionici sormontati da brevi fregi muti; su di essi si imposta una trabeazione modanata continua sulla quale si impostano la finestra in facciata e le due finestre laterali che si aprono nella seconda campata. Queste ultime sono inquadrate nelle unghie della volta a botte costolonata.
Nelle tre campate, fra le quali la seconda ha passo minore, si aprono altrettante cappelle laterali voltate a botte. Il presbiterio è introdotto da un arco sostenuto da pilastri ed è rialzato di due gradini.
Ha pianta quadrangolare ed è caratterizzato dalle due porte che si aprono nella parete di fondo, ai lati dell’altare antico e dell'ancona, e dalle due finestre ovali che si aprono sopra la trabeazione. E’ voltato a botte. La struttura è portante in pietra, orizzontamenti a travi e tavelle, manto in coppi. L'assemblea è ordinata in panche disposte a battaglione conformemente al volume dell'aula.
Il presbiterio comprende l'altare preconciliare con ancona e tabernacolo, l'altare post conciliare su colonnine, al centro dell'area, un ambone a leggio a cornu epistolae e una sede composta da una poltrona e due sedie addossata alla parete destra. Nelle due cappelle centrali sono posizionati due confessionali. 
L'altare ha subito l'adeguamento liturgico nel periodo 1970-1980 con l'aggiunta di arredo. Una mensa su colonnine è stata collocata al centro dell'area presbiteriale. 
Di questo luogo di culto e di interesse storico-culturale vengono pubblicate anche alcune raffigurazioni del santuario della Madonna del Bosco o della Beata Vergine del Carmelo, utilizzate per la stampa delle cartoline postali.