La Chiesa della Madonna di Loreto, edificata su una antica e venerata maestà, che dal 1581 ospitava un'immagine della "Madonna con il Bambino" del pittore tuderte Pietro Paolo Sensini, sorge al crocevia di Castelvecchio, tra le attuali strade provinciali di Collazzone e di Duesanti, un tempo importante nodo stradale.
Si tratta di un ampio impianto ad aula unica, coperto con volta a botte sorretta da sottarchi, con presbiterio rialzato, privo di catino absidale e coronato da un padiglione incompleto, in cotto murato di coltello a facciavista.
L'ambiente liturgico, con modanature doriche, si presenta intonacato e caratterizzato dalla presenza di sei nicchie laterali decorate, quattro delle quali ospitanti altari in muratura; l'originario altare maggiore, in stile barocco, anch'esso in muratura stuccata e decorata, ospita l'affresco con l'immagine miracolosa dipinta dal Sensini.
Il prospetto frontale, simmetrico e lineare, anch'esso con fondo intonacato, racchiude sotto la stessa linea di copertura a due spioventi le residenze che si sviluppano nelle ali laterali del volume, oltre le arcate presenti agli spigoli del piano terra.

• Impianto strutturale
  • Edificio in muratura continua coperto con volta a botte.
• Struttura
  • Strutture verticali: pareti in muratura di pietra calcarea. Strutture di orizzontamento: travature lignee.
• Pavimenti e pavimentazioni
  • La pavimentazione è realizzata in cotto industriale nell'aula ed in lastre di travertino nel presbiterio.

• 1602 ‐ 1602 (devozione carattere generale)
  • Il giorno 11 maggio 1602 un tal Simone Graziani transitava per Castelvecchio, diretto al santuario della Santa Casa di Loreto, per invocare la guarigione del figlio indemoniato, che lo accompagnava; un violento acquazzone costrinse i due pellegrini a rifugiarsi all'interno della cappella dedicata alla Madonna, esistente e venerata da lungo tempo, e risistemata nel 1581. Quello stesso giorno il figlio Giacomo guarì prodigiosamente ed il padre vide esaudito il suo desiderio per intercessione di quella sacra immagine della Madonna di Castelvecchio.
• 1604 ‐ 1618 (costruzione intero bene)
  • Dopo l'annuncio dato dal Vescovo Angelo Cesi il 30 agosto 1603, i lavori di costruzione del santuario cominciarono nell'ottobre 1604, secondo i disegni dell'architetto perugino Valentino Martelli, già operante a Todi negli anni precedenti. Il 3 luglio 1606 il vicario generale Ippolito Carretto trovò la chiesa non ancora terminata, mentre tre anni dopo, in occasione della visita pastorale avvenuta il 21 giugno 1609, il reverendo Don Alberto Vignato rilevò l'edificio ormai completo nelle sue strutture essenziali. Tra il 1609 ed il 1618 vennero rifiniti e decorati sia l'altare maggiore che i quattro laterali.
• 1736 ‐ 1748 (restauro intero bene)
  • Tra il 1736 ed il 1748 sono documentati alcuni interventi di restauro parziale del tempio, tesi principalmente alla riparazione dei danni causati dall'umidità.
• 1821 ‐ 1821 (notizie carattere generale)
  • Il clima antireligioso diffusosi dopo la Rivoluzione francese e durante la dominazione napoleonica fu carico di conseguenze anche nel caso del santuario di Castelvecchio, affievolendo notevolmente la devozione popolare. Dopo la restaurazione, nel 1821, gli incaricati di Mons. Francesco Maria Gazzoli, Vescovo di Todi, trovarono l'edificio "ridotto in uno stato miserabile".
• 1851 ‐ 1851 (notizie carattere generale)
  • Come si legge in una epigrafe sulla parete di controfacciata, il 7 agosto 1851 il rettore del santuario Don Natale Simondi, precipitando dal tetto insieme alla volta che gli era crollata sotto i piedi, rimase illeso. Riconoscente per la grazia ricevuta, si adoperò con successo per riportare il tempio all'antico splendore.
• 1872 ‐ 1872 (descrizione intero bene)
  • L'inventario dei beni appartenenti alla Chiesa parrocchiale di San Giorgio di Torri, di cui il santuario era pertinenza, ricorda la "Chiesa filiale di C. Vecchio", descrivendola "fatta a volta di camorcanna con tre porte d'ingresso", con cinque altari compreso il maggiore.
• 1889 ‐ 1889 (notizie carattere generale)
  • Il santuario, originariamente sotto la giurisdizione parrocchiale di Torri è probabilmente passato a quella di Viepri nel 1889, quando al vecchio rettore successe l'abate parroco di Santa Maria di Viepri, Don Domenico Ranucci.
• 2005 ‐ 2008 (restauro interno)
  • Nel primo decennio del nuovo secolo, il santuario è stato interessato da ripetuti interventi di restauro interno, che hanno interessato l'altare maggiore, la tinteggiatura e gli affreschi.

• altare ‐ intervento strutturale (1970 ca.)
  • Altare in travertino, con mensa sorretta da tre colonne e pedana sottostante.
• ambone ‐ aggiunta arredo (1970 ca.)
  • Ambone ligneo con leggio sovrastante.