I lavori di costruzione della chiesa iniziarono nel 1500 e la prima parte fu ultimata nel 1507. Il progetto di costruzione è precedente se è vero che nel 1492 venne fondata la Confraternita di Santa Maria Immacolata di Canepanova, che si occupa della raccolta dei fondi necessari per la sua costruzione. I lavori furono realizzati sotto la direzione di Giovanni Antonio Amadeo.

Il presbiterio viene costruito a partire dal 1564. Nelle vele in cui si imposta la seconda cupola che copre l'altare maggiore sono rappresentate otto Sibille disposte a coppia, dipinte da Guglielmo Caccia, detto il Moncalvo. Ogni sibilla ha un nastro dipinto con le citazioni in latino di profezie che sono rilette in chiave mariana. La cupola in cui sono dipinti dei rosoni, presenta un effetto prospettico. L'altare maggiore conserva la raffigurazione della Madonna del latte, racchiusa entro una monumentale opera scultorea, in alabastro, marmo bianco e marmo rosso delle colonne, del genovese Tommaso Orsolino (1587?-1675), già attivo in duomo e alla Certosa.

La grande cupola ottagonale fu l'ultima ad esser decorata, con le prospettive illusive dal pittore quadraturista Giovanni Battista Longone agli inizi del XVIII secolo. Sulle vele su cui si innesta la cupola sono dipinti angeli musicanti. Sopra le vele si apre un finto matroneo con alte finestre bifore, quattro delle quali sono aperte all’esterno e quattro chiuse.

Agli angoli dell'aula si trova un ciclo di otto tele ritraenti eroine bibliche. Il ciclo intende presentare attraverso le vicende dei personaggi femminili del Vecchio testamento le virtù che sono proprie della Madonna. Le tele sono state dipinte nel primo quarto del secolo XVII da quattro diversi pittori Camillo Procaccini, Giulio Cesare Procaccini, Alessandro Tiarini e Guglielmo Caccia. Sotto ad ogni tela una cornice sorretta da due angeli/putti che assumono posture diverse.