La iglesia de la Virgen de las Lágrimas fue erigida después de un acontecimiento prodigioso: en 1485 un fresco de una casa rural que representaba a una Virgen y a un Niño, ahora dentro del santuario, lloró lágrimas de sangre y la gente de Trevi decidió empezar la construcción del edificio. Estas obras fueron confiadas a Antonio di Giorgio Marchisi y comenzaron en 1487; terminaron en 1522 y lo que podemos admirar hoy en día es un encantador modelo umbro de iglesia renacentista con cruz latina. En el interior del imponente y luminoso edificio, de una sola nave y bóvedas de crucería, se encuentran obras de admirable calidad, entre las que destacan los monumentos funerarios de la familia Valenti. Algunas de las obras procedentes del Santuario se conservan en la Colección de Arte del Museo de San Francisco de Trevi.
Las capillas más famosas son la de la Adoración de los Reyes Magos y la de San Francisco, ricamente decoradaspor las manos de dos ilustres artistas. En el primero se encuentra el fresco de la Adoración de Pedro il Perugino, que lo pintó en su fase tardía, en 1522. En el interior de la segunda capilla se encuentra en cambio el Transporte de Cristo de Giovanni di Pietro llamado lo Spagna, pintado entre 1518 y 1520. Otras obras del famoso artista se conservan en el Museo y en el convento de San Martín. La iglesia se compone de otras cuatro capillas y un altar.
En el exterior se encuentra el portal monumental, construido en «pietra alba» a finales del siglo XV por Giovanni di Giampietro de Venecia.