Posta in posizione dominante rispetto alla città (vi si accede dall'Arco delle Scalette), la basilica venne fondata nel 1428 dopo le apparizioni della Vergine alla contadina Vincenza Pasini, in anni in cui Vicenza fu colpita dalla peste e affidata, a partire dal 1435, all'ordine dei Servi di Maria.
Ampliata tra 1476 e 1480 da Lorenzo da Bologna, subì notevoli modifiche barocche di Giacomo Borrella a cavallo tra XVII e XVIII secolo.
Oggi, perdute le aggiunte che Palladio apportò negli anni 1578-79, si presenta con una pianta quadrata a croce greca, una cupola centrale e quattro facciate: la principale, in stile neogotico, venne realizzata da Giovanni Miglioranza intorno al 1860, le altre, barocche, sono decorate da 42 statue e rilievi di Orazio Marinali (1700-03).
Il campanile, degli anni 1825-52, fu progettato da Antonio Piovene e modificato da Luigi Cagnola.
All'interno, tra le altre, si segnalano opere di Palma il Giovane, Giulio Carpioni e Bartolomeo Montagna, nonché, nel refettorio, a cui si accede dal chiostro del 1429, l'affresco con la Cena di san Gregorio Magno di Paolo Veronese.