Sorse a partire dal 1690, con posa della prima pietra il 13 giugno, per accogliere una Madonna col Bambino, frammento d'affresco di metà Quattrocento di cifra stilistica tardogotica, superstite dall'antica chiesa di San Clemente. Per custodire l'immagine mariana, il nuovo tempietto crebbe su quello diroccato, con il sostegno della nobile famiglia dei Balugola e del Vescovo di Modena conte Carlo Molza. Quest'ultimo affidava il disegno dell'edificio ad Antonio Loraghi, collaboratore dell'architetto ducale Bartolomeo Avanzini nonché suo erede, e dal 1654 soprintendente alle fabbriche estensi.

La pianta centrale, a croce greca sormontata da cupola emisferica - qui racchiusa nel tiburio ottagonale -, rammenta in effetti l'impianto del santuario "ducale" della Beata Vergine del Castello in Fiorano, opera di Avanzini a cui Loraghi aveva collaborato. L'organismo centralizzato, infatti, con i quattro bracci uguali della crociera sormontati dalla cupola, costituiva una struttura altamente simbolica per unità spaziale e per assoluta armonia, prediletta sin dal Quattrocento per la costruzione delle chiese dedicate alla Vergine.

Autentico gioiello dell'architettura del barocco estense, di cui prosegue una precisa linea tipologica, il santuario di Bastiglia presenta un interno di nobile sontuosità, con ricco apparato di stucchi e altari. La cappella centrale reca l'immagine della Madonna, entro una grande ancona in scagliola di manifattura carpigiana di primo Settecento; ai lati, nelle nicchie, s'innalzano le due statue marmoree di Sant'Anna e di San Gioachino, già nella distrutta chiesa dell'Annunziata di Modena, vicine ai modi di Giovanni Lazzoni, scultore anch'egli attivo nei cantieri ducali sulla metà del '600. Sempre dall'Annunziata provenne la seicentesca ancona in preziosi marmi policromi nel transetto destro, da ascriversi alla bottega dei Loraghi, che ora accoglie un Crocefisso ligneo del tardo Settecento; nel transetto sinistro s'innalza la tela con San Clemente papa e la Madonna col Bambino, classicistica opera eseguita dal fiorentino Giovan Battista Cipriani verso la metà del '700 (dopo il sisma del 2012, i dipinti e altre opere sono stati trasportati nel Centro di Restauro del Palazzo Ducale di Sassuolo).

Sopravvive una parte superstite dell'antica chiesa di San Clemente, precedente al Santuario, nel basso campanile addossato al transetto orientale, che conserva un aspetto quattrocentesco, caratterizzato dal bel motivo delle aperture a bifore sui lati maggiori della cella campanaria.