La arquitectura de esta basílica se articula en tres naves, de igual altura, cubiertas con bóvedas de cañón, en las que se intercalan cúpulas y bóvedas de plato, que descansan sobre robustos pilares. El exterior es de ladrillo, siguiendo la tradición de construcción en ladrillo aragonesa, y el interior revocado en estuco.
La nave central se halla dividida por la presencia del altar mayor bajo la cúpula central, con el gran retablo mayor de la Asunción, perteneciente a la iglesia anterior, realizado por el escultor Damián Forment en el siglo XVI.
Bajo las otras dos cúpulas elípticas de la nave central, se dispuso la Santa Capilla de la Virgen del Pilar, y el coro y órgano, que también procedían de la iglesia gótica predecesora. Actualmente se encuentran desplazados al tramo de los pies del templo, para dotar de mayor espacio a los fieles que ocupan la nave desde el altar mayor.
La basílica del Pilar, junto con los santuarios de Torreciudad, Montserrat, Meritxell y Lourdes conforman la Ruta mariana, itinerario guiado por la espiritualidad y devoción mariana, poseedor de una gran riqueza patrimonial, gastronómica y natural. Es además desde 2007, uno de los 12 Tesoros de España.
La Santa Capilla es el lugar donde está y se reza a la Virgen del Pilar, realizada en madera, solo mide 39 centímetros y se encuentra expuesta en un espectacular templete realizado en mármol, jaspe y broce dorado, levantado por Ventura Rodríguez en el s. XVIII y que, a través de los huecos de su bóveda, se puede ver la cúpula del templo, pintada por González Velázquez.
Junto a la Santa Capilla, en una zona presidida por las banderas Hispanoamericanas, se encuentra un lugar que para muchos es milagroso, en uno de los pilares del templo, se encuentran expuestas dos bombas que fueron arrojadas sobre el templo durante la Guerra Civil Española y no explotaron, aún se pueden ver los boquetes que dejaron en las cúpulas al impactar en ellas. Una tercera bomba también impactó sin explotar en la plaza, muchos atribuyeron estos hechos a un milagro del Pilar.
En los muros del perímetro que circunda la basílica se encuentran diez capillas secundarias con diferentes advocaciones.
Otro lugar espectacular del templo se trata sin duda del Coro Mayor, realizado en madera de roble de Flandes de estilo plateresco en el que se encuentra el órgano del siglo XVI en perfecto estado. El recinto se encuentra protegido por una reja del s. XVI realizada por Tomás Celma.
Frente a él, se encuentra el Altar Mayor, del que destaca su impresionante retablo mayor renacentista realizado en alabastro, una obra de Damián Forment ejecutada a principios del XVI. Este retablo posee un óculo de cristal, como es habitual encontrar en las iglesias antiguas de Zaragoza, un lugar que se reservaba para el Santísimo Sacramento y que solo se podía encontrar en las iglesias aragonesas ya que fue un privilegio otorgado por el Vaticano.
Entre el Altar Mayor y la Capilla de la Virgen se localiza la nave central en la que se encuentra al descubierto el Santo Pilar, una columna de jaspe donde según la tradición cristiana se apareció la Virgen al Apóstol Santiago a principios de nuestra era. Es muy habitual que los fieles se acerquen a besar y venerar esta columna. Si te acercas podrás ver la gran erosión que ha sufrido debido a esta antigua costumbre.
En esta zona también se encuentra el Santo Cristo del XVI, que originariamente se encontraba en la antigua sala de Oración reconvertida al actual Museo Pilarista, una valiosísima colección de pinturas, coronas, mantos, joyas y otros objetos, donados a la Virgen a lo largo de su historia.