A ferences rend obszerváns ágának letelepedése Csíksomlyón az 1440-es évekre tehető, legalábbis erről tanúskodik IV. Jenő pápa bullája, melyben hétévi búcsút engedélyez azoknak, akik a Csíksomlyón épülő templomot bármilyen adománnyal segítik, vagy Sarlós Boldogasszony ünnepi hetében meglátogatják. Az új gótikus templom homlokzatán, az 1448-as évszám volt látható a befejezés időpontjaként. Erről a templomról Losteiner Leonárd, ferences történetíró feljegyzései alapján alkothatunk képet, aki 1826-ban halt meg, tehát saját szemével látta a lebontás előtt álló régi templomot. Eszerint - mint a szerzetesrendi templomok általában - hosszú szentéllyel rendelkezett, egyetlen tornya a déli oldalon, a hajó és a szentély találkozásánál emelkedett. Nyugati homlokzatán egy freskó volt, mely Krisztust a kereszten, Máriától és János evangélistától közrefogva jelenítette meg, mellettük Szent Ferenc alakja is feltűnt. Belső berendezéséről nem sokat tudunk, a feljegyzések szerint a főoltáron hatalmas kereszt állt. A régi templom a mai épület déli fala mellett állott, helyét az 1732-ben megnyitott, ma is meglévő kripta elhelyezkedéséből lehet meghatározni.
A XVII. század első felében a templom nagyobb méretű javításon és belső átalakításon esett át. 1630-ban Somlyai Miklós házfőnök „az egész Templomot meg mennyeztette, Petrasko kepiroval gyönyörüseges szepen meg iratta meg aranyoztatta." Ugyanabban az évben Gyergyóalfalui Ádám Ferenc oltárkészítővel és Szebeni Dániel képíróval új főoltárt készíttetnek. 1647-ben Ferenczi György püspöki helytartó karzatot, padokat, székeket, két tornácot készíttet. 1649-ben Szepesből hozatnak tabernákulumot, Nagyszombatból pedig aranyozott, ébenfa utánzatú, hullámlécekkel díszített oltárt Szent Antal tiszteletére. 1659-ben Kájoni János Brassóban a templom részére megvásárolja a János, eperjesi orgonakészítő mester által készített orgonát.
1661-ben a török-tatár csapatok a templomot és a kolostort is felgyújtották. A templom nagy károkat szenvedett, fedele leégett, a torony megrongálódott, belső berendezése a Szent Antal oltár és a Mária szobor kivételével elpusztult. 1664-ben a fejedelem engedélyével Damokos Kázmér házfőnök országos gyűjtésre indult, az általa szerzett adományokból állítják helyre a templomot. Damokos Kázmér újrafödeti, az előcsarnokot rendbe hozatja, a tornyot is megjavítják Kálnoky Istvánné Béldi Anna bőkezűségéből, illetve új harangokat és órát helyeznek el benne. A berendezést is meg kell újítaniuk, új főoltárt és hat mellékoltárt állítanak fel. Ekkor kerül a főoltárra a tűzvészből megmenekült Mária-szobor, mely eddig egy különálló Mária-mellékoltár részét képezte. Két oldalán Szent Borbála és Szent Katalin szobrát helyezték el, melyet Nyerges Ferenc brassói képíró készített. Andreas Wisman brassói részmetsző készített metszetet erről a főoltárról, innen tudjuk, hogy Mária koronáját két angyal tartotta. A szobrot ünnepnapokon díszesebb ruhába „öltöztették", a Kájoni-féle leltár többféle koronát, sárga és aranyos fátylakat, Jézus kezében ezüstvirágot említ.
A pünkösdi búcsú fellendülése következtében a templom méretei nem feleltek meg az igényeknek, tovább bővítik Gáspár Ferenc házfőnöksége idején. 1730-1731-ben csíkszentkirályi Bors Mihály özvegye, zsögödi Mikó Judit adományából kibővítik a Szent Ferenc kápolnát, a Szent Mihály kápolna irányában karzatot emelnek hozzá, a sekrestyét kibővítik kelet felé, a templom köré védőfalat építenek az esetleges újabb betörésekkel szembeni védekezés érdekében.
A XVIII. század végén már egyértelművé vált, hogy a gótikus templom nem tudja befogadni a búcsús tömeget, ezért egy egészében új, nagyméretű templom felépítésén gondolkodnak. 1795-ben Borbély Absalon provinciális idejében gyűjtést kezdenek, eladják az arany és ezüst tárgyakat. 1802-ben a rendtartomány elkészítteti a terveket Schmidt Konstantin marosvásárhelyi építésszel, azonban az első terv, miszerint a templomnak csak egy tornya lett volna, nem nyerte el tetszésüket. A tervezőt külföldi tanulmányútra küldték, aki Magyarország, Lengyelország, Ausztria és Németország templomait tanulmányozta. Hazatérvén, 1804-ben elkészíti a mai templom tervét. Az alapkőletételre 1804 májusában került sor. Az építkezések a pénzhiány miatt lassan haladtak, emellett az építkezést vezető Schmidt Konstantin más megbízásai miatt sokszor szüneteltek a munkálatok. A tervező távollétében az építkezés vezetését Ferdider József vicepallér vette át, azonban két év múlva meghalt. 1809-ben szerződést kötnek Simonffi György szászrégeni ácsmesterrel a templom fedélszékének elkészítésére. 1810-ben a sekrestye fölötti párkányzat hat öl hosszúságban leomlott, ezért újra kellett rakni, mégis ez év július 2-án a szentély és hajó csúcsára nagy ünnepségek között feltűzték a keresztet. Ezt követően Schmidt Konstantin és Bota György vicepallér Moldvában kaptak megbízást, és nem tértek vissza Csíksomlyóra. A sekrestye befejezésével Müller Ignácot bízták meg. 1813. november 21-én sor került a sekrestye és a szentély megáldására. A következő években lassan haladtak: szárazság, éhínség pusztított, 1820-ban egy nagy erejű szél leszaggatta a templom fedelét. A csíksomlyói ferencesek 1823-ban készült kérelemleveléből ismerhetjük meg az építkezések akkori állását: a tornyok a templom magasságáig emelkednek, sem kívül, sem belül nincs levakolva, a főhomlokzat nincs elkészítve. A tornyok felépítéséhez 1830-ban fog hozzá Landt Mihály besztercei kőművesmester, a boltozatot Erős József kézdivásárhelyi mester készíti, a karzat építését Pfeifer Antal gyergyószentmiklósi mesterre bízták.
A belső berendezés nagy része egy brassói oltárkészítő, Papp Miklós (Nicolae Popp) munkája; Bálint Ignác nyugalmazott lovaskapitány és neje, Bors Julianna megrendelésére készíti a szószéket 1835-ben, a Szent Ignác oltárt 1836-ban. Az ő munkája emellett a Szent Anna oltár, a Keresztelő Szent János oltár, a Szent Antal oltár és a Nepomuki Szent János oltár. A főoltár elkészítésére 1844-ben kötnek szerződést Papp Miklóssal, azonban a 8000 forint, amit érte kért, nem állt a ferencesek rendelkezésére. Így a főoltár baldachinja 1848-ban, a tabernákulum-építmény csak 1854-ben készült el. A Szent Ferenc oltárkép Csűrös József kolozsvári festő műve, a Szent Klára oltárképet Potorszky (Erős) Gyula festi 1860-ban, a Szent Erzsébet oltárképet pedig Herczeg Ferenc 1938-ban. A templom 1876-os kifestése után sor kerülhetett az ünnepélyes felszentelésre, melyet Fogarassy Mihály püspök végzett 1876. augusztus 20-án.
A kolostor épülete a mai formájában a XVIII. század második felében épült ki. A gótikus templomhoz csatlakozó kolostorról csupán annyit tudunk, hogy egyetlen szárnyból állt, belsejében középfolyosóval, melyről két oldalra cellák nyíltak. 1650-ben a templom javításával egyidőben Damokos Kázmér házfőnök a kolostor javítására embereket kért a gyergyói alkirálybírótól. 1661-ben tetőzete teljesen leégett, belseje is nagy károkat szenvedett. 1733-ban újjáépítik az ebédlőt, 1758-ban fognak hozzá a barokk stílusú kolostor felépítéséhez. Fogarassy György, akivel szerződést kötöttek a munkálatok elvégzésére, az északi szárnyban megszűnteti a középfolyosót, a többi szárnyat alapjaiból emelte. Az északi rész 1770-ben, a nyugati szárny 1777-ben, a déli pedig 1779-ben készült el. 1877-ben nagyobb méretű javításokat végeznek, lebontják a nyugati oldalhoz csatolt nyomdaépületet, a kolostor kialakításában azonban lényeges változás nem történt.
A templom a barokk és a klasszicizmus közötti átmenet stílusjegyeit viseli magán. Egy nagyméretű nyeregtetővel fedett hajóból és egy hosszú szentélyből áll, a sekrestye épülete a déli oldalhoz csatlakozik. Felépítése a barokk templomokét követi, díszítésében azonban a barokk és klasszicista elemek keveredését figyelhetjük meg. A főhomlokzat leghangsúlyosabb eleme a két barokk toronysisakkal ellátott torony, melyek alsó lépcsőzetesen kiugratott részei dinamikusabbá teszik a homlokzatot. A tornyok közötti falsíkból kiemelkedik a háromszögoromzattal fedett, két magas pilaszterrel hangsúlyozott középső rész, melynek félköríves fülkéjében a Mária-szobor másolatát helyezték el. A barokkra jellemző ívelt vonalvezetés a főhomlokzaton a szoborfülke alatti szegmensíves, fogazott párkányon figyelhető meg, emellett a torony ablakainak kialakítása és az ovális ablakok is barokk stílusjegyeket mutatnak. Az oromfalon és a főbejárat fölött háromszögoromzatot láthatunk, mely azonban inkább a klasszicizmus kedvelt megoldásai közé tartozik. A homlokzat visszafogott díszítését faltükrök, növényi és geometrizáló elemekből álló vakolatdíszek alkotják. Az oldalhomlozatokon egymás fölött félköríves és ívelt szemöldökkel ellátott ovális ablakok láthatóak, ezeket lizénapárok határolják.
A templom belső kialakítása sokkal díszesebb a külsőnél. Fiókos dongaboltozatát a fal síkjából kiugró ívesen kiképzett pillérek tartják. A főoltár annak a középeurópai barokk oltárépítészeti áramlatnak utolsó, monumentális alkotása, mely a pozsonyi dóm és a gyulafehérvári székesegyház oltárainak közvetítésével terjed el a XIX. századi Székelyföldön. Az oltártípus jellegzetessége, hogy egy volutából formált baldachin és egy különálló szentségház alkotja. A nyolc volutából formált baldachin alatt kis kupolával ellátott tabernákulumépítmény áll, melyet virágfüzérek, rozetták, szőlőfürtök és búzakötegek díszítenek. A gerezdelt kupola alatt feszület található, melynek csúcsát a sugarakkal körülvett Agnus Dei koronázza, két oldalán imádkozó angyal-szobrok jelennek meg.
Az oltár retablóján helyezték el a híres kegyszobrot, mely Máriát a Napbaöltözött Asszony ikonográfiai típusa szerint jeleníti meg. A sugárkoszorúval övezett Mária a földgömbön és a holdsarlón áll, feje körül tizenkét csillagból álló glória. A holdsarlón egy emberarc jelenik meg, mely utalhat a Mária istenanyaságát tagadó Nesztoriánuszra, vagy a kereszténység ellenségeiként számon tartott törökökre is. Jobb kezében királynői jogart, baljában a gyermek Jézust tartja, mindkettőjük fejét korona ékesíti. Az embernagyságúnál nagyobb, 227 cm-es, aranyozott, festett hársfa szobor hátoldalának kialakítása arra enged következtetni, hogy eredetileg egy szárnyasoltár központi alakja lehetett. A szakirodalom a XVI. század elejére datálja.
A szentélyben helyezkedik el a háromosztatú, baldachinos papi ülőszék, melynek középső részén Szent Ágoston fából készült domborműve, a szárnyakon egy-egy diakónusalak, csúcsán angyaloktól közrefogva Mária tizenkét csillaggal koronázott alakja jelenik meg.
A templomhajóban hat mellékoltár található, melyek hasonló felépítményűek. Az északi oldal első mellékoltára a klasszicizmus formáit idézi. A félköríves keretben megjelenő oltárkép Szent Ferencet ábrázolja térdelő helyzetben, amint egy angyal babérkoszorút helyez a fejére. A lunettában található felső képen Szent Miklós püspök jelenik meg. A déli oldal első mellékoltárának felépítménye tökéletesen megegyezik a Szent Ferenc oltáréval, a félköríves keretben azonban egy XX. századi, Szent Antalt megjelenítő oltárképet találunk. A felső festmény Szent Bonaventúrát ábrázolja. A Szent Anna mellékoltár sokkal zsúfoltabb az előzőeknél, az oszlopok törzsére virágfüzérek csavarodnak, széleit pedig rózsák díszítik. A felső képen szent Apollónia jelenik meg, alatta pedig Szent Anna férjével együtt a gyermek Máriát oktatja. A Szent Erzsébet oltár felépítménye megegyezik a Szent Annáéval. A felső regiszterben Szent Julianna képe található, a készítés időpontja, az 1836-os évszám is megjelenik. Az északi oldalon található Keresztelő Szent János oltár 1840-ben készült, kannelúrázott korinthoszi fejezetes oszlopok tartják a Szent Sára képével ellátott háromszög-oromzatos felső részt. A félköríves keretben Krisztus Jordánban való megkeresztelkedésének jelenete látható. Átellenben a Nepomuki Szent János oltárt láthatjuk, melyen Mária és Erzsébet találkozását megörökítő festmény található.
A domborműves, dús aranyozású szószék szögletes formáival eltér a barokkban megszokottól. A hangvető csúcsán lovagi öltözetben, karddal a harsonát fújó Szent Mihály arkangyal jelenik meg. Az ajtón Mózes a két kőtáblával, a kosár mellvédjén pedig kis oszlopokkal elválasztva fadomborművek láthatóak. Ezek közül négy az evangélistákat, a középső pedig a Szentlélek eljövetelét ábrázolja. A szószék alján a készítő felirata olvasható: „CSINÁLTA PAPP MIKLOS, PIKTOR BRASAJY", a körbefutó füzérdíszen, középen az 1835-ös évszám jelenik meg.
A templom déli oldalához csatlakozó kolostor épülete egy téglalap alakú belső udvart zár körül. Az egyemeletes épület külső homlokzata nagyon egyszerű, övpárkánnyal elválasztva két sorban egyeneszáródású ablakok láthatóak. Udvari homlokzatának földszintjét félköríves nyílások, emeleti részét - a déli szárny kivételével, ahol egyeneszáródású ablakok találhatóak - félköríves árkádok törik át. Az északi, keleti és nyugati homlokzatokra különféle napórákat és csillagórákat (?) festettek. A folyosókat keresztboltozat fedi.
A kultusz mellett a templom híres Mária-szobra azért is figyelemreméltó, mert egyrészt ez az egyetlen a régi templomból maradt emlékek közül, másrészt ebből a korból igen kevés ilyen méretű és minőségű szobor maradt az utókor számára.
Képek