De style néo-roman et construite en forme de croix, la basilique est d'une hauteur d'environ 100 mètres, du plancher jusqu'à la pointe des clochers. Sa largeur est de près de 60 mètres à la croisée des transepts et de 50 mètres à la façade. Le bâtiment s'étale sur une longueur d'environ 100 mètres.

Le tympan, le bas-relief de la façade, illustre sainte Anne dans toute sa gloire. À ses pieds et de chaque côté, une longue frise rappelle les moments importants de l’histoire de cette dévotion, qui représente tout un pan de la société québécoise. Juste au-dessus, l'ange du pèlerin veille sur les milliers fidèles qui viennent visiter sainte Anne chaque année. Puis finalement, au-dessus, les 12 apôtres encadrent la grande rosace.

Enfin, plusieurs statues décorent la façade : Marie, Joseph, Joachim, Jean-Baptiste, Monseigneur François de Laval et Marie de l'Incarnation, tous des chefs-d'œuvre du sculpteur québécois Émile Brunet.

Les portes principales de la basilique, recouvertes de cuivre repoussé à la main et réalisées par l’artiste Albert Gilles, présentent plusieurs scènes de la vie de Jésus.

Sur le pinacle, entre les deux clochers, on retrouve la statue de sainte Anne, qui a été sauvée de la destruction de la première basilique lors de l’incendie de 1922.