Bazylika ma 130 m długości, 67 m szerokości, posiada 4 wieże i 11 kopuł. Boczne kopuły ozdobione są na zewnątrz dekoracją z azulejos. Kopuła środkowa i jedna z wież powstały w roku 1872, 3 pozostałe wieże dodano dopiero w latach 1907 i 1961. Jest budowlą trójnawową z wieńcem kaplic. Wnętrze podzielone jest na dwie części: zajmujący 3/5 powierzchni właściwy kościół oraz sanktuarium z kaplicą Del Pilar, krytą eliptyczną kopułą wewnętrzną. Późnogotycki alabastrowy ołtarz główny wyrzeźbił Damián Forment w latach 1509-1511. Stalle są dziełem m.in. Giovanniego Moreto z Florencji z 1542 r., a imponujące kraty z lat 1574-1579 wykuł Juan Tomás Celma. W 1771 r. Goya namalował freski Anioły adorujące Imię Boże i Królowa Męczenników. Oprócz szeregu biskupów, znalazł tu miejsce spoczynku generał José de Palafox y Melzi, obrońca miasta podczas wojen napoleońskich.
Atrakcjami turystycznymi bazyliki są również muzeum i skarbiec.