La più suggestiva e la più ricca del santuario, conserva in alto, in una fastosa ancona, l'Immagine della Vergine e del Bambino. Al centro della cappella maggiore l'altare, di rari marmi, disegnato da Angelo Venturoli, fu consacrato dal card. Oppizzoni il 10 dicembre 1815. Sull'altare i magnifici candelieri di bronzo dorato sostituiscono quelli d'argento portati via da Napoleone.
Ricchissimi marmi e bronzi dorati rendono la cappella imponente e solenne. La cappella è completata dalle pitture di Vittorio Bigari (1692-1776), che adornano il catino dell'abside e la cupola, e rappresentano la Madonna che viene ritratta da S. Luca, e la glorificazione della Vergine coi santi protettori di Bologna.