La costruzione della chiesa risale al 1468, e consegnata ai domenicani, in base al testamento del marchese Taddeo d'Este che aveva desiderato questo edificio, nel caso di morte prematura del figlio Bertoldo II d’Este, e aveva ordinato che fosse costruito nella forma e nelle misure, simile alla chiesa di S. Maria delle Carceri.

La chiesa fu consacrata il 2 febbraio 1479 , ricevendo il titolo di "S. Maria delle Grazie" e per la prima volta venne posta sull'altare maggiore l'icona della Vergine, che si considerava "proveniente dalla Città di Costantinopoli". Nel 1716 i Domenicani di Este decisero la costruzione di una nuova chiesa più ampia e diversamente orientata, che fu completata nel 1736. Nel 1770 la Repubblica Veneta soppresse il Convento dei Domenicani e donò la chiesa alla Parrocchia di S. Martino che trasferì qui la sua sede il 1 giugno del 1771 assumendo il titolo di S. Maria delle Grazie.

Nell'ottocento, fu edificato il nuovo campanile e la cupola, e Pio XI per riconoscere il prestigio del Santuario Mariano, nel 1924 elevò la chiesa a Basilica. La facciata della basilica si presenta spoglia non essendo stato completato il rivestimento, con una mole austera che preannuncia la fastosità dell’interno, ricco e maestoso, illuminato dall'abbondante luce che filtra dalle vetrate colorate.

Ai lati si aprono le cappelle con gli altari di architettura barocca.

Sul lato destro, nella Cappella della Pietà si trova l’immagine della Vergine che tiene in grembo il corpo esanime del Cristo, affresco del tardo quattrocentesco appartenente all'antica chiesa demolita.

Vi sono poi l'altare di S. Bovo con pala di Francesco Bossi estense (1799), la Cappella di S. Teresa del Bambino Gesù (1948), l'altare di S. Antonio, S. Tommaso e S. Caterina da Siena, con pregevole dipinto di Antonio Zanchi (1693).

Sul lato sinistro, troviamo, l'altare di S. Vincenzo Ferrari con pala del veronese Angelo Da Campo (1776); l'altare di S. Domenico e S. Pietro martire con pala (1882) di Gaspare Diedo veneziano; l'altare di S. Apollonia con dipinto di Fabio Girardi veneziano (1882). nell'abside laterale sinistra è collocato l'altare del Santissimo Sacramento (1731) con le statue di S. Tommaso e S. Giacinto di Antonio Bonazza (1743), e pala del Crocifisso dei primi del Settecento.

L'altare Maggiore è opera recente (1950), disegnato da A. Riccoboni: sopra la mensa l'Annunciazione in bronzo di Ulderico Conti e sui lati rilievi di Aurelio Mistruzzi. Le 15 sculture che ornano le nicchie della navata sono di Pietro Zandomeneghi e di Valentino Besarel, realizzate tra il 1856 e il 1870.