La facciata principale del santuario, prospetta sopra un'ampia piazza ed è preceduta da una tripla rampa di scale: la prima porta ad un livello intermedio, la seconda al sagrato, che poggia direttamente sul basamento all'interno del quale vi è la cripta, e la terza all'ingresso della chiesa.
Al centro della facciata si apre un'ampia arcata a tutto sesto alta circa 31 metri affiancata da due costoloni con i bassorilievi raffiguranti 26 santi; essi, sui due costoloni, solo disposti su due colonne affiancate con 6 santi ciascuna. In quella esterna si trovano i profeti, in quella interna gli apostoli. In alto, più grandi rispetto agli altri, sono raffigurati san Pietro Apostolo (a sinistra) e san Paolo apostolo (a destra). Nella parte bassa dell'arcata vi è il nartece, sormontato da una statua dell'Immacolata Concezione fra due angeli; nel nartece si aprono tre portali e quello centrale, più grande rispetto ai due laterali, è affiancato da dei bassorilievi scolpiti.
Le due facciate del transetto sono entrambe precedute da un piccolo portico avente, sulla parte anteriore, tre arcate a tutto sesto poggianti su colonnecorinzie appoggiate a pilastri.
All'incrocio della navata centrale con il transetto, si eleva la cupola. Essa è costituita da un tamburocircolare circondato da una loggia continua costituita da quadrifore sorrette da colonnine. La copertura semisferica è coperta da piastrelle policrome formanti disegni geometrici all'interno dei quali sono raffigurati vari simboli mariani, fra cui il monogramma mariano e il giglio.
Alla sinistra della basilica si eleva il campanile che, con i suoi 100 metri, rende il santuario l'edificio di culto più alto della città di Washington. La torre campanaria è caratterizzata da una tripla loggia (ispirata al campanile del Duomo di Siena) è da una svettante guglia posta sulla sommità come copertura.
Sulla parete esterna dell'abside centrale, si trova un grande bassorilievo con, al centro, l'Immacolata Concezione.
Interno
InternoCripta
All'interno, la basilica si presenta con una complessa struttura a croce latina, con transetto che si innesta nella navata quasi a metà della lunghezza della chiesa e parte terminale della chiesa costituita da una tripla abside. Ha una capienza totale di 6.000 persone, di cui 3.500 sedute.
La navata centrale è divisa in tre campate, di cui due prima della crociera ed una dopo. Ognuna di essa è coperta da una cupola decorata a mosaico su sfondo dorato e dall'ampio matroneo in cui si apre una grande trifora per lato; il matroneo poggia direttamente sulle navate laterali, molto più strette rispetto alla navata centrale.
L'ultima campata della navata centrale, la seconda dopo il transetto, si differenzia dalle altre in quanto in essa si aprono tre absidi: una a ridosso della parete fondale, una sul fianco destro e una sul fianco sinistro; ognuna di esse accoglie a sua volta cinque piccole absidiole, ognuna con proprio altare marmoreo.
La decorazione musiva della basilica venne progettata da un'apposita commissione presieduta dal mosaicistapolaccoJan Henryk de Rosen; rimanendo fedele al progetto originale, nel 2006 è stata completata la Cupola della Redenzione e, nell'anno successivo, la Cupola dell'Incarnazione. Rimane ancora spoglio l'interno della cupola maggiore.
Il presbiterio occupa la seconda parte della navata centrale, ovvero quella che va dalla crociera all'abside. Nell'ultima campata della navata, trova luogo il maestoso ciborio, posto sopra l'altare maggiore. Il baldacchino marmoreo è sorretto da quattro colonne in marmo rosa con capitelli corinzi ed è coperto da una cupoletta sormontata dalla statua dell'Immacolata Concezione. Il mosaico dell'abside centrale raffigura il Pantocratore.
Nella chiesa, si trovano circa 80 cappelle dedicate ad un culto diverso della Madonna. La più recente, dedicata a Nostra Signora di La Vang, è stata inaugurata nel 2006.
Nel santuario è custodita la tiara di Paolo VI. Dopo la rinuncia alla tiara da parte del pontefice, avvenuto nel 1964, il prezioso copricapo venne messo all'asta per ricavarne denaro da donare ai poveri e fu acquistato dal cardinale arcivescovo di New YorkFrancis Joseph Spellman; da allora, è esposto nella basilica.
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