La basilique Notre-Dame du Cap est un édifice de granit blanc de forme octogonale, mesurant 79 m de long sur 60 m de large. Son dôme pyramidal, recouvert de cuivre, est surmonté d'un lanterneau qui supporte une croix de 4,5 m de hauteur. Le sommet de la croix s'élève à 78,5 m du sol. La pierre angulaire se trouve sur le devant de l’édifice, en haut des marches, à gauche. Les quatre pierres polies, qui y sont enchâssées en forme de croix, faisaient partie des pierres transportées sur le pont de glace formé prodigieusement sur le fleuve Saint-Laurent, à la mi-mars 1879. Elles ont été bénites à Rome par le pape Pie XII.

En entrant dans la basilique, on est d'abord impressionné par le volume de la nef et l'harmonie de ses proportions. On peut voir partout : aucune colonne ou pilier pour gêner la vue aux mil six cents personnes pouvant prendre place dans les bancs. L'ossature est formée de grands arcs de béton armé constitués de lignes droites obliques (arcs polygonaux) qui retombent sur des piliers aux angles de l'octogone. Les contreforts qui se trouvent entre les piliers et les murs sont percés d'une haute ouverture permettant ainsi la circulation autour de la nef.

Dans le dessin des arcs, l'architecte Adrien Dufresne, originaire de Québec, s'est visiblement inspiré de son maître, Dom Bellot, moine bénédictin. On peut remarquer que les arcs du chœur et des transepts reprennent un peu les angles formés par les phalanges des doigts quand ceux-ci sont repliés. C'est là, paraît-il, que Dom Bellot aurait pris son inspiration pour les arcs polygonaux. Le dôme intérieur entouré de fenêtres triangulaires forme une grande couronne aux rayons dorés de 14,5 m de diamètre.

Le sous-sol (crypte) comprend une nef et une chapelle (Chapelle de la Paix) pouvant contenir respectivement 1 100 et 200 personnes.

La basilique fut inaugurée le 15 août 1964.

Le centre historique du Sanctuaire Notre-Dame du Cap est la petite église («Petit Sanctuaire»), en pierre des champs, inaugurée en 1720. C’est une des plus anciennes au Canada. Avec son clocher et son toit pointu, incurvé à la base, elle est typique des églises québécoises du dix-huitième siècle.