Le bâtiment mesure 70,5 mètres de long et 37 de large. Il a été entièrement construit avec la pierre calcaire de la région : le branco do mar.

Une grande tribune avec autel, chaise, ambon et bancs (pour les concélébrants) est installée, à l'extérieur, devant la basilique du Rosaire.

Le clocher mesure 65 m de haut, il est surmonté d'une couronne de bronze de 7 000 kg, construit dans la fonderie Bolhão de Porto. La couronne est elle-même surmontée d'une croix illuminée la nuit.

Le carillon est composé de 62 cloches, fondues et durcies à Fátima par José Gonçalves Coutinho (de Braga). La plus grosse cloche pèse 3 000 kg et le bâtant 90 kg.

L'horloge est l'œuvre de Bento Rodrigues (Braga). Les anges de la façade ont été sculptés dans du marbre par Albano França.

Le 13 mai 1958 a été inaugurée une grande statue du Cœur immaculé de Marie sculptée par le Père Thomas Mc Glynn sur les conseils de sœur Lucie. La statue est haute de 4,73 m et elle pèse 13 tonnes. Cette statue évoque le contenu du message de « la dévotion au Cœur Immaculé de Marie ». La sculpture fait référence à tous les différents thèmes évoqués par la Vierge durant les apparitions aux petits bergers : la dévotion des cinq premiers samedis, la consécration la Russie et le triomphe de son cœur Immaculé. Cette statue, offerte par des catholiques américains, a été placée dans une niche située sur la façade de la basilique le 13 juin 1959.