È una delle più armoniche ed eleganti creazioni del Rinascimento (1470-1525 circa) del Lazio. Una scalinata di 16 gradini precede, accrescendone la maestà, l'austera facciata a bugnato smussato, tutta di pietra, opera di Carlo di Mariotto e di Domenico di Iacopo da Firenzuola (1509). La ornano tre portali di cui quello mediano, elegantissimo, è di Giovanni di Bernardino da Viterbo, i laterali hanno nelle lunette terrecotte (Madonna col Bambino, angeli e santi) di Andrea della Robbia (1508). Isolato a destra, sorge l'imponente campanile a tre ordini e riccamente ornato, con due colossali campane, la Maria (1528) e la S. Agata (1654). A destra della chiesa è il convento che ha, in alto, un balcone con bella ringhiera goticizzante.Interno basilicale a tre navate divise da slanciate colonne reggenti ampie arcate. Il *soffitto a lacunari è opera di Giovanni di Pietro detto Pazera (1518-25) su disegno di Antonio da Sangallo il Giovane. Sulla parete interna della facciata, tra la porta e il rosone grande, affresco rappresentante Il miracolo del prete di Canepina di Angelo Pucciati (1636).Lungo le pareti e nelle cappelle, dipinti dei sec. XVII e XVIII, provenienti da chiese distrutte o dissacrate della città; al termine della navata, grandioso organo barocco; da notare anche il pennone di una nave turca, dalla battaglia di Lépanto. All'altar maggiore, il *tabernacolo marmoreo di Andrea Bregno (1490) racchiude la tegola che dette origine al santuario e su cui è una Madonna col Bambino dipinta da tal Martello detto Monetto (principio del sec. XV). Nell'abside, bel coro intarsiato da Domenico di Zanobi del Tasso e Giuliano di Giovanni detto il Pollastra (1514), e leggio intarsiato da Filiziano viterbese (1474). Nella volta dell'abside, Madonna della Quercia, tondo del Truffetta (1519), ridipinto.Al centro del coro, in un vano si trova un ricchissimo altare cinquecentesco, adorno di stucchi, che custodisce una grande tavola (Incoronazione di Maria e santi) di fra Bartolomeo della Porta, Mariotto Albertinelli e fra Paolino da Pistoia (1514-43). Nella navata sinistra, in una cappella è custodito un presepe formato da manichini, di artisti senesi della fine del sec. XVI.Dall'inizio della navata sinistra, per un bel portale ad arco scolpito, si accede al Museo della Basilica. Dalla sagrestia affrescata nel sec. XVIII, si accede al *chiostro, a pianta rettangolare con tre gruppi di arcate nei lati minori e sei nei maggiori: è a due ordini, l'inferiore, opera di Daniele da Viterbo (1487), è di forme gotiche con colonnine binate, il superiore è di forme rinascimentali (sec. XVI); del vicino Seminario si può visitare un secondo chiostro, di ordine toscano, dovuto a Francesco di Zaccaria e Iacopo Ghioldi (2ª metà del sec. XVI) e il refettorio, su disegno di Antonio da Sangallo il Giovane.