Està situada en la confluència dels rius Algars i Matarranya, a 1 Km. del nucli urbà. La ubicació, segons la tradició, ve determinada després de l'aparició de la imatge de la Verge en una cova a un pastoret. Aquesta imatge es va traslladar en tres ocasions a l'església i per tres vegades va tornar miraculosament al seu lloc original. El poble va pregar perquè escollís altre lloc que estigués protegit de les avingudes del riu Matarranya i així poder sempre venerar-la. El lloc triat per la Verge va ser la confluència dels rius Matarranya i Algars, prenent des d'aquest moment el nom de Dosaigües.
La construcció inicial data de principis del segle XVIII, però ha estat objecte de diverses reformes: en 1.859, es van construir les dependències adossades i, en 1.985, una àmplia galeria d'arcs, a manera de porxo, en els murs dels peus i del costat de l'epístola. Va haver una petita capella anterior a la gran ermita.
És un temple d'una sola nau de creu llatina. Està estructurada en cinc trams amb capçalera recta format per un tram quadrat de major amplària que els de la nau, amb cor elevat als peus del temple recolzat en un arc més rebaixat amb llunetes, mentre la capçalera està coberta per una cúpula esfèrica amb llanterna donada sobre petxines. A mitjan segle XIX, es va ampliar amb un braç lateral de dos trams seguint el mateix sistema de cubrición que ho fins a llavors realitzat.
L'articulació de l'edifici segueix les pautes marcades, amb pilastres de fust llis rematat en capitell d'ordre toscazo amb cornisa no molt volada que serveix de base als arcs que distribuïxen l'espai de la nau.
La decoració de guixeries de la cúpula és de gran interès. Allí apareix una nodrida decoració de caràcter vegetal amb aus picotejant penjolls de raïm esquitxats per l'espai; aquests motius, bastant esquematitzats i estilitzats, es repeteixen pel intradós dels quatre arcs de mig punt que sostenen i delimiten la cúpula. El retaule major va ser destruït en 1936 . Els materials utilitzats són el carreuó en tot l'exterior i, també, maçoneria revocada en l'interior.
En la façana destaca la portada realitzada en pedra carreu amb ingrés en arc de mig punt amb bones dovelles i sense articular. Remata en una espadaña de perfil a dues aigües que integra dues obertures de mig punt.
Al seu al voltant, compte amb un parc amb grans pinyeres centenàries d'uns 23 m. d'altura i un diàmetre de fins a 1,31 m. També, compte amb una pineda, oliveres, una font i un mur de contenció, que protegeix dit parc de les avingudes dels dos rius.
Existeix una gran devoció a Ntra. Sra. De Dosaigües, patrona de Nonasp, en tota la comarca. S'ha trobat documents antics, en els quals, els feligresos, abans de morir, deixaven misses per a celebrar pel difunt. Actualment, i tots els primers diumenges de setembre, es realitza un romiatge al Santuari, a la qual acudeixen fidels de tota la comarca, en la qual se celebra una Santa Missa, i una ofrena de flors i fruits en honor a ella.
Durant l'última guerra civil, la seva imatge va ser destruïda i després restituïda en 1960 . Des de l'any 2008, es va col·locar un meravellós retaule, adquirit per la Germanor Comarcal de Ntra. Sra. de Dosaigües, així com una talla de fusta de la imatge de la Verge.
Durant aquest temps van ser vàries la hipòtesi que es van remenar sobre el lloc que havien d'ocupar les dues imatges de la Verge; al final, per part de la Germanor es va optar per col·locar en el retaule la imatge de fusta restaurada i adequar una nova ubicació per a la imatge que fins a ara havia presidit l'ermita, de manera que aquesta pot veure's des de l'exterior del porxo a través d'un cristall.