Die heute zu besichtigende Wallfahrtskirche wurde 1573 erbaut, als Julius Echter den bischöflichen Thron von Würzburg bestieg. Diesem Kirchenführer gelang es, wieder viele zur lutherischen Lehre Übergetretene zurückzugewinnen. Die Dettelbacher Wallfahrt erlebte eine Renaissance. Bald konnte die kleine Kapelle die Zahl der Wallfahrer nicht mehr fassen. Julius Echter entschloss sich, die große Kirche zu bauen, wie wir sie heute kennen. Am 8. September 1613 wurde sie eingeweiht.
Für den Ansturm reichten die wenigen Geistlichen am Ort nicht mehr aus. Da entschloss sich Julius Echter, neben der Kirche ein Kloster zu errichten und 1616 Franziskaner nach Dettelbach zu berufen.
Der Grundriss der heutigen Kirche zeigt eine kreuzförmige Anlage (1608-1613). Der östliche Teil (Hochchor) gehört zur Kapelle, die zu Beginn der Wallfahrt hier stand. Der Gnadenaltar in der Vierung steht etwas exzentrisch nicht genau in der Mitte, um den Blick auf den Hochaltar freizugeben. Die Kirche besitzt im Inneren gotisch anmutende Rippengewölbe, viele spitzbogige Fenster mit sehr abwechslungsreichem Maßwerk und eine kreisförmige Rosette an der Westseite.
Eine Besonderheit ist zweifelslos das schöne Portal an der Stadtseite. Es wurde 1612/13 von dem damals berühmten Bildhauer Michael Kern geschaffen. Die Steine kamen aus dem Bibergauer Steinbruch. Das Portal ist wie ein Altar aufgebaut. Über dem Eingang zwei Wappen – das kleine Stadtwappen, darüber das große Echterwappen – links und rechts die Apostelfürsten Petrus mit dem Schlüssel und Paulus mit dem Schwert. Über den Wappen in einer rechteckigen Nische die Anbetung der drei Weisen. Oben die Muttergottes mit Kind, flankiert von den Heiligen Kilian (Frankenapostel) und Augustinus (Patron der Stadtkirche). Das oberste Stockwerk des Portals endet in einem runden Maßwerkfenster. An vielen Stellen sind Ornamente, Engel, Säulen und Fruchtgehänge angebracht.
Die Kanzel stammt von Meister Michael Kern, gefertigt aus Alabastermarmor auf einem Sandsteinkern. Die Darstellung ist ausgefallen und bemerkenswert. Der Stammvater Jesse als mächtige Konsolfigur trägt den Predigtstuhl. Aus seiner Brust wachsen Äste, die nach oben streben und sich vielfach verzweigen. An ihren Enden sieht man rund um den Kanzelkörper berühmte Gestalten aus dem Stammbaum des Jesse, darunter auch König David mit der Harfe. Das Rankwerk setzt sich an der Wand fort und endet auf dem Schalldeckel bei der Muttergottes mit dem Jesukind, was als die alles überragende Krönung dieser Sippe und der ganzen Menschheit aufgefasst werden soll. Kein Zweifel: Michael Kerns Werke, Portal und Kirche, sind mit der Hauptgrund für den kunsthistorischen Ruhm der Dettelbacher Wallfahrtskirche.