Rozwijający się kult Matki Bożej Fatimskiej wpłynął na rozbudowę niewielkiej świątyni.

Parafię św. Józefa w Tarnowie erygował wówczas ordynariusz diecezji tarnowskiej biskup Jan Stepa w 1951 r. przy kaplicy św. Józefa (ul. Dwernickiego). Kaplica ta nie mogła zaspokoić potrzeb wielotysięcznej społeczności tej parafii. Od początku zaistniała potrzeba budowy nowego kościoła.

Pierwsze prace projektowe nowego kościoła podjęto na początku 1957 r. Zgodnie z założeniami kościół miał odpowiadać wieloletnim tradycjom sztuki kościelnej i równocześnie współczesnym wymogom architektury europejskiej. Ostatecznie wybrano projekt zespołu w składzie: architekt Jerzy Kozłowski, Krystian Seibert, Zbigniew Wolak (współpraca: K. Pęcławski, konsultacja A.Kozłowski).

Realizację rozpoczęto w lipcu 1957r., a ukończono jesienią 1960. Kierownictwo budowy objął Stanisław Boratyński, a inspektorem nadzoru był inż. Wawrzyniec Wojtasiewicz

Świątynia jest trzynawowa łącznej szerokości 22 metrów i długości 45 metrów. Obok absydy od strony zachodniej mieści się zakrystia, a od wschodniej kaplica pamięci ofiar obozów koncentracyjnych. Pod kaplicą jest krypta grobowa.

Kult Matki Bożej Fatimskiej rozwija się tu od początku powstania parafii, ale obecnie znajdująca się w kościele figura Maryi pochodzi z początków obecnego stulecia. Została ona wykonana przez portugalskiego artystę Alberta Ferreirę, którego ojciec jest twórcą oryginalnej figury fatimskiej. Figura Matki Bożej umieszczona jest w prezbiterium, nad głównym ołtarzem, na tle tak zwanego „wirującego słońca”. Figura została poświęcona przez Jana Pawła II w 2002 roku. Natomiast ołtarz „wirujące słońce” poświęcony przez biskupa Wiktora Skworca w 2008 roku zaprojektował i wykonał rzeźbiarz Kazimierz Klimkiewicz.

Odpusty w parafii i sanktuarium przypadają na niedzielę po 13 maja (święto Matki Bożej Fatimskiej) i niedzielę po 13 października oraz na 19 marca (uroczystość świętego Józefa).