Situada no local onde os três pastorinhos brincavam na altura da primeira Aparição, a Basílica foi construída de acordo com o projeto do holandês Gerard Van Kriechen e executado pelo arquiteto João Antunes.

A Primeira Pedra foi benzida a 13 de maio de 1928, pelo arcebispo de Évora, D. Manuel da Conceição Santos. A sagração foi a 7 de outubro de 1953.

O título de "Basílica" foi-lhe concedido por Pio XII, no breve "Luce Superna", de novembro de 1954, e é celebrado a 12 de outubro.

À entrada da Basílica, por cima da porta principal, encontra-se um mosaico que representa a Santíssima Trindade a coroar Nossa Senhora. A torre sineira, erguida ao centro da fachada, tem 65 metros de altura e é rematada por uma coroa de bronze, revestida a ouro e encimada por uma cruz. O carrilhão é composto por 62 sinos. A estátua do Imaculado Coração de Maria, no nicho da torre, tem 4,73 metros, pesa 13 toneladas e foi esculpida pelo dominicano Pe. Thomas McGlynn, segundo o modelo feito sob indicação da Irmã Lúcia.

Os 14 altares laterais são dedicados aos mistérios do Rosário, representados em baixo-relevo de bronze dourado. Da autoria de Martinho de Brito, foram dourados por Alberto Barbosa. O 15º mistério está representado no alto-relevo da abóbada da capela-mor: a Santíssima Trindade coroa Nossa Senhora. É da autoria de Maximiliano Alves. Na capela-mor venera-se a imagem da Virgem Peregrina, que percorreu o mundo várias vezes.

O retábulo do altar-mor representa a Mensagem de Nossa Senhora aos videntes, preparados pelo Anjo de Portugal, através do seu encontro com Cristo na Eucaristia. Vêem-se o Bispo da Diocese, de joelhos, do lado esquerdo, e as figuras dos Papas Pio XII, João XXIII e Paulo VI. É obra do pintor João de Sousa Araújo.

Os vitrais dos altares laterais representam invocações da ladainha de Nossa Senhora. Os vitrais das galerias representam cenas da vida de Nossa Senhora, das Aparições e da Mensagem de Fátima. Juntamente com todas as pinturas do interior da basílica, são da autoria de João de Sousa Araújo.

Nos quatro cantos, encontram-se as estátuas de quatro grandes devotos de Nossa Senhora: St.º António Maria Claret, S. Domingos de Gusmão, S. João Eudes e St.º Estêvão, Rei da Hungria.

Nas paredes laterais encontram-se 14 quadros da Via Sacra, em mosaico, da autoria de Fred Pittino. O 15º quadro é obra de José Teia.

Repousam neste espaço o restos mortais dos pastorinhos Lúcia, Francisco e Jacinta.