Il dipinto a fresco si conserva in questa antichissima chiesa e sembra sia stato fatto o commissionato dal Beato Cecco da Montegranaro.

E' proprio questa immagine, forse originariamente in una edicola, il nucleo sul quale si fonda la devozione di questo luogo sacro. Già alla fine del '300 (1374) il cardinale Guglielmo da Novelletto, legato apostolico, si reca nella Chiesa del ponte Metauro per venerare la miracolosa immagine. Nel 1399 Carlo Malatesti ed Elisabetta Gonzaga si recano, a piedi, da Rimini a venerare il dipinto al quale avevano legato il voto. Questo è il primo momento che legherà la famiglia malatestiana alla chiesa, poiché nel 1455 sarà lo stesso Sigismondo I ad invitare i frati minori osservanti affinché si occupassero del convento. Altre sono state le visite eccellenti in questo luogo. San Carlo Borromeo, come ritratto dal Guerrieri, incontra proprio di fronte alla chiesa i nobili Petrucci vestiti da mendichi (1564). Il 29 maggio 1857 Pio IX, venendo da Senigallia, sosta presso il santuario. Il 12 agosto 1984 Giovanni Paolo II in visita a Fano incorona la sacra immagine della Beata Vergine del ponte Metauro, proclamandola patrona dei marinai. Seppure sia riconoscibile uno schema trecentesco, purtroppo l'opera ha subito diverse ridipinture dovute alla grande devozione popolare che ne hanno compromesso l'originale freschezza e rigidità e ci hanno trasmesso un dipinto fatalmente naïf.