L'opera pervenne alla Pinacoteca milanese nel 1810 proveniente dalla chiesa di San Bernardino a Urbino, nel cui altar maggiore risulta, da valide documentazioni, almeno dal Settecento. Andando ancora più indietro nel tempo incontriamo due citazioni relative all'opera in esame: la prima è ne "Le Vite" del Vasari, integrata nella biografia del Bramante, nei passi dove il "fanciullo, il futuro architetto studiò i dipinti di fra' Carnevale nella chiesa di Santa Maria della Bella ad Urbino"; l'altra è un'annotazione scritta nei registri del convento di San Bernardino ad Urbino, pubblicata dal Pungileoni (Elogio storico di Giovanni Santi pittore e poeta padre del gran Raffaello di Urbino, Urbino 1822), dove si parla che la pala dell'altar maggiore fu realizzata nel 1472 da fra' Bartolomeo, conosciuto anche come fra' Carnevale da Urbino, e che l'effige della Madonna viene identificata nella duchessa Battista Sforza mentre il Bambino, nel piccolo Guidalberto da Montefeltro.

Per quanto riguarda l'autografia, la critica ufficiale è d'accordo ad assegnarla a Piero della Francesca, salvo alcuni interventi di completamento e di sporadiche zone di secondo rilievo (probabilmente eseguite da di Pedro Berruguete, pittore di corte). L'ipotesi di attribuire la pala a fra Carnevale, scartata con forza dal Cavalcaselle, ebbe un difficile proseguo.