De estilo barroco, ostenta una impresionante cúpula que resalta del resto de la obra.
En su interior guarda una virgen que se ha convertido en la patrona y reina de la ciudad.
Esta imagen fue donada por el Rey Carlos I y su hijo Felipe II al pueblo de Guanajuato como forma de reconocimiento a su prosperidad minera el 8 de agosto de 1557. La imagen es una escultura de madera de la Virgen y el Niño, con una peana de plata repujada como base.
El santuario cuenta con tres accesos, un campanario de tres cuerpos y otra torre de estilo churrigueresco. Parte de la iglesia está dedicada al santo patrón de los mineros, San Nicolás Tolentino.
La Basílica de Nuestra Señora de Guanajuato es símbolo del esplendor y auge de este rico mineral de Santa Fe de Guanajuato.