Les vitraux de la basilique sont l’œuvre du maître verrier Jan Tillemans (1915-1980), Oblat de Marie Immaculée néerlandais, diplômé de l'Académie des Beaux Arts de Maastricht et de l'Institut supérieur des Beaux Arts de la même ville (Académie Jan Van Eyck). On y trouve, illustrés, les mystères du Rosaire, diverses scènes évangéliques, l’histoire du Sanctuaire Notre-Dame-du-Cap, les pionniers et les saints Patrons du Canada, etc. Ces vitraux ont été réalisés selon les techniques utilisées au Moyen Âge pour les cathédrales gothiques d’Europe. Le verre est teinté dans la masse lors de la cuisson au four.

Le maître verrier Tillemans nous parle de son œuvre :

«Le vitrail est comme un tapis suspendu, un mur de mosaïque, différent d'un tableau, où vous avez de la profondeur, de la perspective. Au fond, le vitrail fait partie du mur. Il en est la continuation, et non un ornement que vous placez quelque part. Il s’agit d’un art architectural.  Les vitraux doivent faire chanter les murs. Il faut les regarder à distance. Voir l'ensemble, la composition comme une mosaïque de couleurs. L'agencement des couleurs, est un rythme, un chant. Ce sont des rythmes continuels. Tout est question de couleurs. Visages, mains, vêtements, tout doit s'intégrer dans l'ensemble. Si j'ai besoin de rouge, je ferai une tête rouge, si le rythme demande du vert, je ferai la tête verte. Dans mes vitraux, tout y est  symbole : rythme, dessin, agencement des couleurs... Tout doit être empreint de gravité, de retenue. Rien de sensationnel. Regardez, par exemple, les mystères douloureux du rosaire. Notez la sérénité du Christ, même à l'agonie. Pas de gestes brusques. Les regards sont tournés vers l'intérieur.»

L’orgue Casavant, d'esthétique néo-classique, a été inauguré en 1965. Les devis sont de Lawrence Phelps, alors chef harmoniste chez le facteur de Saint-Hyacinthe. L'instrument comprend 75 jeux réels, dont 2 trompettes et 1 clairon en chamade, répartis sur 3 claviers et un pédalier.  Lors de sa rénovation, effectuée en 1990, un combinateur électronique à 16 niveaux de mémoire a été ajouté. Son imposant buffet fait penser à une grande feuille d'érable couvrant l'ensemble du mur.

Le Petit Sanctuaire abrite quant à lui la statue de Notre-Dame du Cap, statue que trois témoins ont vu ouvrir les yeux, le 22 juin 1888.  Dans la chapelle latérale se trouve une statue du Bienheureux Frédéric Janssoone, œuvre du sculpteur Léo Arbour.  Le grand rosaire suspendu au pilastre est fait de grains de bois d’olivier provenant du jardin de Gethsémani. Donné par le Père Frédéric en 1894, il fut monté par les Ursulines de Trois-Rivières.