La facciata è decorata dal cinquecentesco portale del Parigi, circondato da due pilastri con nicchie. L'ampio vestibolo di ingresso introduce all'aula ottagonale, elemento tipico di gran parte dei santuari mariani costruiti in età rinascimentale.
All'interno si aprono sei cappelle, la più grande delle quali accoglie l'altare maggiore, opera del manierista fiorentino Pietro Tacca che sostituiva il precedente altare in legno oggi conservato nel Battistero. Un'edicola con colonne corinzie e un frontone curvilineo racchiude l'affresco miracoloso, traslato qui alla metà del Cinquecento quando fu ultimata la grande cupola che tanti problemi aveva creato a Giorgio Vasari che ne era stato l'artefice. Ai lati dell'altare maggiore si aprono, tra le altre, la Cappella dell'Annunziata e quella dell'Assunta in cui si possono ammirare opere attribuite a Ludovico Buti e Francesco Morandini, detto il Poppi. Il vestibolo fu decorato ai primi del Settecento da Giovan Domenico Piastrini, con scene del Miracolo e della costruzione della Basilica. La sacrestia sono custoditi preziosi arredi liturgici per lo più del Seicento.