Sanktuarium Ostrobramskie słynie ze słynącego cudami Obrazu Matki Miłosierdzia Bożego.
Na podstawie badań przeprowadzonych w 1993 r. ustalono, że Obraz Ostrobramski został namalowany najprawdopodobniej w Wilnie, około roku 1620-1630, na ośmiu deskach dębowych, techniką temperową na podkładzie klejowo-kredowym (później pokryto go farbą olejną). Mógł być narysowany w Wilnie lub przywieziony z Holandii. Ustalono, że autor wzorował się na szesnastowiecznych grawiurach holensreskich. Jego pierwowzorem był obraz flamandzkiego malarza Martina de Vosa.
Wizerunek maryjny przedstawia Madonnę bez Dzieciątka o smutnym obliczu, z głową pochyloną nieco w prawo, z rękami złożonymi do modlitwy. Nie jest ikoną. Jest to jedno z najciekawszych i rzadkich odwzorowań Maryi, gdyż, w odróżnieniu od większości obrazów, jest przedstawiona bez dzieciątka.
Wizerunek ma długie, bogate dzieje i ciekawą historię. Początkowo był własnością magistratu miasta. Kiedy na stały pobyt do Wilna przybyli mnisi Zakonu Karmelitów Bosych (1626 r.), osiedlili się przy Ostrej Bramie, zbudowali drewnianą kapliczkę, zawiesili tam obraz, organizowali modlitwy i przejęli opiekę nad nim (1668 r.).
Z kronik karmelitańskich wiemy, że w 1671 r. obraz uroczyście przeniesiono do nowej, drewnianej kaplicy, wybudowanej w postaci łuku. To było punktem zwrotnym w jego dziejach, a w 1720 roku wyświęcono już nową kamienną kaplicę, którą dobudowano do wjazdowej bramy Miednickiej zwanej Ostrą. Warto zaznaczyć, że obrazowi przypisywano cudowną moc gaszenia pożarów – przetrwał bowiem niejeden pożar kaplicy i kościoła św. Teresy.
Pierwszą obszerną relację i źródłową wzmiankę o Obrazie (“Relacya o cudownym obrazie Najświętszej Maryi Panny”) uczony i pobożny definitor Karmelitów Bosych ojciec Hilarion (Hilarion Rościszewski) wydał w 1762 roku (relacje z 1761 roku). Opisał cuda zanotowane jako zeznanie pod przysięgą. Natomiast kult obrazu zainicjowali karmelici bosi wcześniej, sięga drugiej poł. XVII wieku. Z 1748 roku pochodzi pierwsza drukowana wzmianka o lokalnym kulcie obrazu. Ostrobramska Madonna wyróżnia się specjalną czcią, dlatego szeroko przyciągała ludzką pobożność. O uzyskanych łaskach opowiadają liczne wota.
Na przełomie wieków XVII-XVIII został przemalowany, był wielokrotnie odnawiany. Około 1840 r. uszkodzone miejsca obrazu odrestaurował Kanuty Rusiecki. W 1927 r. obraz odnowił prof. Jan Rutkowski, w tym roku odbyła się uroczystość koronacji koronami papieskimi. Obraz otrzymał wtedy tytuł Matki Miłosierdzia.
Rozwój ogólnokrajowego kultu obrazu Matki Boskiej Ostrobramskiej nastąpił po wydaniu eposu narodowego “Pan Tadeusz” (1834 data pierwszego wydania). To Ona była największym wspomnieniem dzieciństwa A. Mickiewicza, to od Niej otrzymał on “cudowne uzdrowienie”, o którym wspomina w swojej epopei:
“Panno święta, co Jasnej bronisz Częstochowy
I w Ostrej świecisz Bramie! Ty, co gród zamkowy
Nowogródzki ochraniasz z jego wiernym ludem!
Jak mnie dziecko do zdrowia powróciłaś cudem,
(Gdy od płaczącej matki pod Twoją opiekę
Ofiarowany, martwą podniosłem powiekę
I zaraz mogłem pieszo do Twych świątyń progu
Iść za wrócone życie podziękować Bogu) (…)”
A. Mickiewicz “Pan Tadeusz”