L’edificio esisteva già nel 1200. Ampliato tra il 1465-’74, quando venne modificata l’originaria pianta a croce greca (tutti e quattro i bracci uguali), è stato duramente danneggiato durante la Seconda guerra mondiale. Subito dopo il conflitto il Genio civile ricostruì la copertura, nel ‘99 venne iniziato il restauro, terminato nell’estate 2003 con il campanile.
La canonica, dal novembre 2003, ospita il museo della civiltà contadina. Il santuario di Valliano è un capolavoro: l’interno conserva gli affreschi di uno degli allievi prediletti da Raffaello: Pellegrino da Modena, che aiutò il grande artista urbinate nel decorare le Logge Vaticane. Il presepe si può visitare durante tutto l’anno, poiché è struttura fissa.