Kult Matki Bożej Fatimskiej w Tarnowie sięga początków powstania parafii i jest związany z pierwszym jej proboszczem, ks. prałatem Janem Marszałkiem. W 1952 r., do małego kościółka św. Józefa ks. prałat sprowadził figurę Fatimskiej Pani. Od tego czasu w każdą pierwszą sobotę zaczęło być odprawiane nabożeństwo przebłagalne do Fatimskiej Pani.
Od 1953 r. w każdą niedzielę od 13 maja do 13 października obchodzono tzw. „Niedziele fatimskie”. Głoszono wtedy orędzie fatimskie, adorowano Najświętszy Sakrament oraz odprawiano uroczyste nabożeństwa różańcowe, pokutne, wynagradzające, szczególnie prosząc o nawrócenie grzeszników. Z okazji Roku Maryjnego przeżywanego w 1954 r. bp Jan Stepa włączył kościółek św. Józefa do listy Sanktuariów Maryjnych.
Od początku powstania parafii ks. prałat Jan Marszałek myślał o budowie nowej świątyni, ponieważ kościółek św. Józefa był zbyt mały, aby zaspokoić wszystkie potrzeby duszpasterskie. Ks. prałat podjął inicjatywę budowy nowego Domu Bożego i pragnął, aby nowa świątynia była dedykowana Fatimskiej Pani. Budowę rozpoczęto 6 lipca 1957 r., a w październiku tego samego roku został poświęcony i wmurowany kamień węgielny. Poświęcenia świątyni dokonał bp Karol Pękala w październiku 1960 r., a uroczyście konsekrował bp Jerzy Ablewicz w 1975 r. 13 maja 2003 r. bp Wiktor Skworc oficjalnie erygował Sanktuarium Matki Bożej Fatimskiej w Tarnowie.
Tarnowska Fatima, jak zwykło się nazywać to miejsce, była świadkiem podniosłych wydarzeń. W czasie odpustu z okazji jubileuszu 50-lecia objawień fatimskich bp Jerzy Ablewicz uroczyście poświęcił wszystkie rodziny diecezji Niepokalanemu Sercu Matyi. Zaś 12 i 13 grudniu 1995 r. miało miejsce nawiedzenie figury Matki Bożej Fatimskiej przywiezionej z Portugalii. W tych dniach do Sanktuarium w Tarnowie pielgrzymowało 25 tysięcy osób z miasta, okolic i diecezji, którzy mimo mrozu i padającego śniegu trwali na modlitwie także na zewnątrz świątyni.
W sierpniu 2003 r. została przekazana do kultu nowa figura Fatimskiej Pani wykonana przez portugalskiego artystę rzeźbiarza Alberta Ferreirę. Jego ojciec jest twórcą oryginalnej figury dla fatimskiego Sanktuarium w Portugalii. Figura została poświęcona w Fatimie przez kardynała Joachima Meisnera oraz uświęcona przez dotknięcie do oryginalnej figury fatimskiej. Nową figurę ponownie poświęcił Jan Paweł II na Błoniach Krakowskich 18 sierpnia 2002 r.
W lutym 2009 r. bp Wiktor Skworc poświęcił nowy wystrój prezbiterium. Matka Boża Fatimska została umieszczona na tle tzw. wirującego słońca, czyli cudu, który miał miejsce 13 października 1917 r. Figura, przy dźwięku fanfar, jest codziennie odsłaniana przed rozpoczęciem nabożeństwa i zasłaniana po ich zakończeniu.
W świątyni można nawiedzić także kaplicę oświęcimską, w której znajduje się relikwiarz z prochami pomordowanych. Jest również krypta grobowa, a w niej sarkofagi bpa Jana Stepy (przeniesionego do Katedry w 2009 r.), bpa Karola Pękali oraz Ks. prałata Jana Marszałka, więźnia obozu w Dachau pierwszego proboszcza parafii i budowniczego kościoła.
W otoczeniu kościoła znajdują się figury przedstawiające scenę objawień fatimskich, rzeźba pt. „Upadek Pana Jezusa pod krzyżem” oraz Krzyż misyjny. Wyrazem szczególnego kultu Fatimskiej Pani są liczne podziękowania i prośby składane przez przybywających pielgrzymów oraz bardzo cenne wota, a wśród nich dary św. Jana Pawła II: perłowy różaniec, kielich i papieski ornat.
Sanktuarium posiada relikwie świętych dzieci fatimskich Franciszka i Hiacynty oraz relikwie św. Jana Pawła II, którym podczas nabożeństw można oddać cześć przez ucałowanie.
W roku 2011 przy Sanktuarium powstał ołtarz polowy, przy którym odbywają się odpusty parafialne: majowy i październikowy. Szczególnie bogaty jest program odpustu październikowego. Obejmuje on: rekolekcje maryjne poprzedzającej odpust, „Noc pokuty” w sobotę poprzedzającą odpust, czyli nocne czuwanie modlitewne dla tarnowskich parafii (od godz. 20:00 do 6:00), dzień odpustu z sumą o godz. 11:00 oraz wszystkimi częściami różańca fatimskiego.
W tarnowskiej Fatimie każdego 13 dnia miesiąca od maja do października są obchodzone „Dni fatimskie”. Program tych dni obejmuje: o godz. 8:30 różaniec fatimski i Mszę św. z kazaniem. Wieczorem: o godz. 18:00 różaniec fatimski i Mszę św., o godz. 20:00 wystawienie Najświętszego Sakramentu połączone z prywatną adoracją, a o godz. 21:00 główna uroczystość - Apel fatimski z okolicznościowym kazaniem, procesją z figurą i światłami
