Nel 1495 la comunità di Petriolo mandò a Roma, allo scopo di fare donazione di una casa di sua proprietà al Capitolo Lateranense, il sacerdote don Giovanni Sanici da Berlanga della diocesi Oscomense nella Spagna, residente nel castello di Petriolo. Il 5 settembre, sotto il pontificato di papa Alessandro VI, il sacerdote presentava l’istrumento di donazione al Capitolo. L’anno successivo, dopo accordi intercorsi con il Comune, la Confraternita della Misericordia domandava e otteneva l’autorizzazione dell’Arcibasilica romana poter edificare una nuova chiesa in suolo Lateranense, posta tra la chiesa di Santa Maria e San Basso e quella di San Martino. Lo stemma della Basilica Lateranense posto attualmente sopra il portale della Chiesa ne perpetua la memoria.
Dalla relazione della visita apostolica di monsignor Maremonti del 23 luglio 1573, è noto che la chiesa della Misericordia era retta e mantenuta dai confratelli della Compagnia dello stesso nome, assistiti da un cappellano che doveva celebrarvi la messa in tutti i giorni festivi, e in altri tre giorni la settimana, mentre il sabato si cantava coralmente l’ufficio in onore della Beata Vergine Maria. Nel 1780 su disegno dell’architetto camerale Pietro Augustoni iniziarono i lavori di ricostruzione di ampliamento della chiesa che fu consacrata solennemente nel 1787. L’impianto fu ridotto ad una sola navata, che venne prolungata di circa sei metri.
Le decorazioni a stucco, le cappelle degli altari, le nicchie e le statue furono realizzate dallo scultore di origine lombarda Lorenzo Bernasconi, collaboratore dell’Augustoni, il quale, in seguito, fissò la sua residenza definitivamente a Petriolo. La facciata si divide in tre parti: in alto un ricco cornicione delimita il timpano con occhio centrale; nella zona mediana si sviluppano due coppie di palaste di ordine toscano, in mezzo alle quali si aprono due nicchie con le statue raffiguranti l’Arcangelo Gabriele e l’Annunziata, modellate nel 1951 dall’artista autodidatta Nello Cruciani di Petriolo. Nella zona sottostante si ripetono le coppie delle paraste con capitelli di ordine toscano. Al centro si apre il bel portale di rame sbalzato, opera dello scultore maceratese Sesto Americo Luchetti, benedetto dal Papa Giovanni Paolo II il 22 agosto 1979. Lavori di restauro strutturale e di consolidamento dell’edificio iniziarono nell’aprile del 1920 e furono diretti dall’architetto Giuseppe Rossi di Macerata. A questo periodo risalgono pure le decorazioni pittoriche dei tondi della volta, dei pennacchi e delle pareti della navata, ad opera del pittore pesarese Ciro Pavisa. Il 16 ottobre 1921 la chiesa fu riaperta al culto. All’interno del santuario si conserva una pregevole statua in legno policromo raffigurante la Madonna con il bambino (detta localmente della Misericordia), il cui restauro del 1985 ha portato alla luce un’iscrizione sulla base della statua che recita HOC. OPUS. F. MAGISTER. IO. ANTONIUS. AQUILANUS. M.D.XXV; tale scultore sarebbe da identificarsi con Giovanni Antonio (Giannantonio) da Lucoli, attivo a l’Aquila tra il 1508 e il 1537. Secondo la tradizione popolare la prima domenica di settembre dell’anno 1525 la statua lignea della Madonna giunse alla chiesa della Misericordia di Petriolo proveniente dall’Abruzzo, trasportata da un carro trainato da buoi, i quali, arrestatisi dinanzi alla chiesa petriolese, non vollero più proseguire nel tragitto. Il popolo di Petriolo, cogliendo in questo un segno miracoloso del volere della Madonna di voler restare in paese, portarono festanti la statua all’interno della chiesa.