Prospiciente da sud-est all'abitato di Piobbico, S. Maria in Val d'Abisso sembra esistesse già nell'XI secolo con il nome di S. Maria in Mavi, contrazione dell'appellativo mariano Amabilis o Amavilis.

L'origine deve forse mettersi in relazione al diffondersi del culto per un'immagine della Madonna dipinta su tavola, forse abbandonata da qualche eremita e rinvenuta da alcuni pastori sul Monte Nerone.

Essa oggi si conserva nel Santuario, ma risulta molto ritoccata e di scarsa qualità, nonostante sia impreziosita da una cornice costituita da un gruppo di angeli in bronzo dello scultore romano Vincenzo Montrone.

Anche oggi il Santuario costituisce un polo di attrazione devozionale e folkloristica, accogliendo la Processione delle Rocche, in cui ragazze vestite da contadinelle portano la "rocca", un bastone di canna alla cui sommità viene posto un ciuffo di canapa o di lana ornato di nastri colorati, che esse lasciano alla Vergine. Tale rievocazione, che avviene l'8 settembre, riattualizza, probabilmente, il momento in cui gli abitanti di Piobbico corsero ad onorare l'immagine sacra rinvenuta dai pastori.

In puro stile romanico con soffitto a capriate, l'aula interna della chiesa venne scelta come luogo di sepoltura di molti membri della famiglia Brancaleoni e dei Felici. Oggi vi si conservano ancora interessanti opere d'arte.
Alla sinistra dell'altare maggiore appare, lacunoso, un affresco cinquecentesco con la Vergine e il Bambino tra S. Filippo Benizzi ed il Beato Barbetta (eremita del luogo nel '300).
Nella parete di destra si trova una pala raffigurante l'Assunzione della Vergine con quattro santi dipinti sulle due ante di chiusura. Per lo più si attribuisce tale opera a Raffaellino del Colle del quale, sull'altare della Concezione (1530), esisteva un altro dipinto su tavola, scomparso nel 1860.
La commissione dell'opera risale alla costruzione della Cappella dell'Assunta, voluta dai conti Roberto e Antonio nel 1520.
Tre affreschi voluti da Antonio di Magio Felici nel 1519 raffigurano un Battesimo di Cristo e un'Annunciazione. Del terzo resta solo una testa di S. Antonio. Da documenti del 1520 sappiamo che l'artista che li eseguì fu Fabrizio Fabrizi di S. Angelo in Vado.
Un dipinto su tavola rappresenta un ex voto dedicato dal conte Carlo di Roberto Brancaleoni alla Madonna invocata in un momento di estremo pericolo per un agguato teso al conte stesso dalla famiglia Ubaldini. La tavoletta riproduce la scena del rapimento avvenuto nel cuore della notte, per cui il conte veste solo la camiscia ad hominem.