La costruzione del Santuario di Santa Filomena o chiesa di Santa Maria delle Grazie fu iniziata nel 1617 e completata intorno al 1630 grazie ai fondi raccolti dal taglio dei boschi di Vallicelle.

La chiesa fu costruita a forma di croce latina con una navata, un’elegante cupola, in stile rinascimentale e un altare adornato con marmi preziosi e rari. Sul lato orientale c’era un campanile alto 50 metri che in cima aveva una cupola con una palla di bronzo sormontata da una bandiera e una croce. Il 30 maggio 1673 la torre fu colpita da un fulmine e crollò danneggiando la chiesa. Fu ricostruito in maniera fedele con il sostegno della popolazione. A metà del Settecento furono inseriti due campanili. La facciata è ricoperta da stucchi di colore giallo e fiancheggiata da due torri: una per l’orologio, l’altra per il campanile. L’architettura è neoclassica con capitelli ionici e corinzi.

La chiesa di Santa Maria delle Grazie agli inizi del 1800 diventa Santuario di Santa Filomena. Il corpo della Santa, rinvenuto a Roma il 25 maggio 1802, fu portato a Mugnano dal sacerdote don Francesco De Lucia il 10 agosto 1805. Don Francesco De Lucia fu il primo rettore del Santuario, che fondò ed estese la devozione di San Filomena nel regno delle Due Sicilie e oltreoceano fino alle Americhe.

Grandi personalità hanno visitato il santuario con ricchi doni: il cardinale Ruffo-Cilla di Napoli, Leone XII, papa Gregorio XVI, Pio IX che si recò in pellegrinaggio accompagnato dal re Ferdinando II il 7 novembre 1849, Pauline Jaricott (fondatrice delle Pontificie Opere Missionarie) miracolata da Santa Filomena a Mugnano il 10 agosto 1835, il Santo Curato d’Ars, Maria Cristina di Savoia, moglie di Ferdinando II di Borbone, Leone XIII.

Tra i papi devoti e promotori del culto di S. Filomena vi furono Leone XII e Leone XVI dopo il miracolo di Pauline Jaricott, avvenuto davanti all’altare di S. Filomena il 10 agosto 1835, che rese ufficiale il culto della Santa in tutta la chiesa; Leone XIII promulgatore dell’Arciconfraternita Universale di Santa Filomena, San Pio X, grande devoto che arricchì di pregevoli doni il Santuario.