L’edificio attuale, della Collegiata di Santa Maria della Misericordia, è stato eretto nel 1835 su progetto degli architetti fanesi Cesare e Giuseppe Selvelli in sostituzione della distrutta chiesa quattrocentesca dedicata alla Madonna del Rosario che sorgeva nei pressi della Piazza del Mercato.
Per dare maggior vanto a Cartoceto, nei primi del 1700 fu avanzata richiesta al Papa per promuovere la chiesa a Collegiata, tale richiesta fu accolta dal sommo pontefice Benedetto XIV e nel 1747 venne istituito il capitolo. Con il passare del tempo la struttura dell'edificio sia a causa di mancati interventi, sia soprattutto di infiltrazioni di umidità, incominciò a destare serie preoccupazioni sulla sua stabilità. Si decise quindi di impiantare la nuova chiesa nel luogo detto della Croce alla Rocca o Mattari, distante appena cento metri dalla prima. All'interno della chiesa, sul lato sinistro è presente un antico simulacro in legno dipinto rappresentante la Casa di Loreto, che veniva portato in processione per antica e radicata devozione alla Madonna. Ma la notorietà della chiesa, è legata all'affresco della Madonna delle Grazie, ritenuta dispensatrice di miracoli. Il Bambino ancora coperto, la poltrona in stile gotico e il simbolo della croce fa supporre questa opera, di autore ignoto, databile alla fine del 1300. L’immagine era originariamente posta in un’edicola fuori dall’abitato ma nel 1886 venne trasferita nella cappella neoclassica costruita dall'architetto Mengaroni.
In prossimità dell'altare, è collocata la Madonna del Rosario, dono del cardinale Rusticucci a Cartoceto; vi si raffigura Pio V in atto di ringraziare la Vergine per la vittoria di Lepanto. L'opera, per la bellezza cromatica e il taglio dei personaggi, è attribuibile alla bottega del Barocci. Di fronte, una Madonna in trono, opera pittore fanese Bartolomeo Morganti (1527), recentemente restaurata. L'artista si rifà alla Madonna del baldacchino di Raffaello. Queste ultime due tele provengono dal precedente edififio religioso. Sopra l'altare, al centro, è posta la Madonna della Misericordia attribuita a Simone Cantarini, del 1600. In prossimità dell'uscita è collocata una Madonna in trono con a fianco S. Sebastiano e S. Rocco, opera che proviene dalla vecchia chiesa di Ripalta.