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Sua fachada tem uma volumetria incomum na tradição da arquitetura colonial brasileira, e é de grande simplicidade, contrastando com a decoração interna em estilo barroco-rococó, com rica talha especialmente nos altares do cruzeiro e na capela-mor, onde se expõe ainda significativa estatuária.

Possui um bloco central no esquema tradicional de porta em arco ao térreo e duas aberturas retangulares com grades acima, sob um frontão triangular, e dois blocos laterais que surpreendem por não constituírem os esperados campanários tradicionais, sendo repetições em ponto menor do bloco central, mas com apenas uma abertura superior. O esquema do edifício é tornado aparente por divisões demarcadas entre as áreas de reboco liso. Cada bloco tem uma cobertura de telhado em duas águas.

A nave é única e as paredes são desprovidas de adornos. O piso é de madeira e tem níveis. Acima da entrada existe um coro de madeira, acessível a partir da nave por uma porta a oeste, e na parede lateral da nave sobressaem um púlpito, destinado aos pregadores.

Após o arco-cruzeiro está a capela-mor. Ela possui piso de madeira e forro com as mesmas características dos da nave, além de duas janelas altas. Ao fundo da capela-mor, atrás do atual altar, há um retábulo barroco com detalhes rococós. Assim como os retábulos dos altares laterais, o da capela-mor é datado da metade XVIII.

Ao centro do retábulo há um fundo nicho central em um dossel arrematado por frontão e volutas laterais, que é dedicado à imagem da padroeira, entronizada sobre um pedestal formado por quatro lanços superpostos com forma arretada. O altar possui ao centro e peanhas laterais para estatuária; cada uma, entre um par de colunas apoiadas sobre mísulas trabalhadas.

Histórico

Foi construída em arquitetura de terra entre 1750 e 1754 por Luciano Nunes Teixeira, próximo às margens do Rio das Almas. Que segundo a tradição, foi o terceiro prédio religioso a ser construído em Pirenópolis. Localiza-se no Bairro do Carmo, que recebeu seu nome em homenagem à construção, logo após a Ponte de Madeira, que marca a divisa do bairro com o Centro Histórico.

Em 1868 recebeu alguns reparos e o piso da capela-mor foi assoalho.

Em 1935 sua fachada foi muito modificada numa reforma que mudou seu estilo original para o neoclássico, mas em 1976 a fachada original foi recuperada.

 O edifício foi restaurado pelo IPHAN em 1992 e novamente em 2001, quando foi fechado à visitação, abrindo somente por ocasião de algumas procissões. Neste meio-tempo foi decidido que a igreja deveria ser convertida em um museu de arte sacra para preservar a cultura e as tradições religiosas da cidade.

Em 2008 foi feita uma adaptação dos seus espaços para a função de museu.

Referências
 "Monumentos e Espaços Públicos Tombados - Pirenópolis (GO)". IPHAN, 2014
 Souza, Vanessa Cardoso de. Turismo em Pirenópolis/GO: intervenção urbana na área do Centro Histórico. Universidade de Brasília, 2017, pp. 25-26
 "Após nova reforma, a Igreja do Carmo, em Pirenópolis, reabrirá as portas". Correio Braziliense, 08/11/2008