Il Santuario di Nostra Signora di Montebruno è il monumento storico artistico più significativo di Montebruno e di tutta l'Alta Val Trebbia ligure.
Fu costruito nel 1486 sulla sponda di destra del fiume su iniziativa del frate agostiniano Battista Poggi a ricordo della miracolosa apparizione della Vergine avvenuta nel 1478 ad un pastorello muto: questi, riacquistata la parola, annunciò il prodigio richiamando sul luogo la popolazione che trovò su un tronco di faggio una statua della Vergine che la tradizione vuole sia oggi collocata sull'altare maggiore. Della presenza del Santuario ci ha lasciato un ricordo anche il Giustiniani: "E passato il giogo quale è distante dal mare quindeci miglia, si trova di là al piede di quello Montebruno, col Monastero dei soccolanti di S. Agostino, monastero di gran devotione, vicino al quale ha origine il fiume Trebia."
La chiesa, a tre navate, rivela nelle arcate ogivali l'origine tardo-quattrocentesca con uno stile di stampo gotico, ma la ridondante decorazione in stucchi dorati e la sostituzione dei pilastri alle colonne, il grandioso altare in marmi policromi lasciano trasparire gli apporti dello stile barocco.

La facciata fu ricostruita in stile neoclassico, con lesene e timpano in cotto, nel 1897.
Al suo interno troviamo un antico Crocifisso in legno databile al 1600, una tela di Scuola Ligure del 1600, una tela di Agostino Ratti del 1750 e un antico confessionale del 1600.Al centro del presbiterio s'innalza la nicchia in cui è custodita l'immagine venerata, un'arcaica statua lignea. Sul lato di sinistra un affresco di Giovanni Quinzio (1832-1918) racconta la storia del fatto prodigioso all'origine della nascita del Santuario. Nel coro, dove sono stalli lignei del secolo XVII, si trova un riquadro ad affresco raffigurante il Battesimo di Sant'Agostino, attribuito a Ottavio Semino (1520-1604).
Nel convento degli Agostiniani è interessante la sala del refettorio, oggi trasformata in cappella, con l'affresco dell'Ultima Cena sulla parete di fondo, di autore ignoto del '500 (ultimamente è stata avanzata l'ipotesi che l'affresco possa essere opera di Leonardo da Vinci per via delle molte similitudini con l'Ultima Cena che si può ammirare a Milano), e un episodio della vita di Sant'Agostino sulla parete opposta.