Il 6 luglio 1484 un bambino, Iacopino Belcari della Povera, vide animarsi l’immagine della Madonna con il Bambino dipinta sulla parete delle carceri pubbliche di Prato. Da questo evento fu deciso di realizzare, esattamente in quel luogo, la basilica che è capolavoro architettonico del primo Rinascimento tanto che nel febbraio del 1939 papa Pio XI elevò la chiesa alla dignità di basilica minore.
Lorenzo de' Medici impose il progetto di realizzazione redatto dal suo architetto preferito Giuliano da Sangallo. La chiesa fu progettata con pianta a croce greca, ispirata alla Cappella de’ Pazzi di Filippo Brunelleschi. L’idea, infatti, era quella di rendere la Basilica capolavoro di simmetria e proporzioni sulla scia delle soluzioni spaziali brunelleschiane e dei postulati teorici di Leon Battista Alberti.
Fu costruita dal 1486 al 1495 per quanto riguarda gli interni, mentre il rivestimento esterno, interrotto nel 1506, sarà completato più tardi.
Il campanile invece, è neoclassico ed è stato realizzato da Giuseppe e Francesco Valentini.
Guardando l’esterno, la chiesa mostra la sua limpida struttura con i quattro bracci uguali della croce greca sormontati da una cupoletta. Il rivestimento è il bicromo tipico dell'architettura pratese e del romanico fiorentino. La pietra alberese e il marmo verde di Prato assumono forme originali: il telaio compositivo è sorretto da slanciate lesene binate sugli spigoli e fasce in serpentino verde suddividono gli spazi centrali intorno alle porte con timpano.
La cupoletta, di tipo brunelleschiano, sorge da un attico quadrato, con tamburo forato da dodici occhi, e copertura conica coronata dalla elegante lanterna. La cupola ha inoltre un arricchimento di ingegno prospettico; un'originale balaustra allontana prospetticamente la piccola cupola suddivisa in dodici spicchi.