A Basílica de Nossa Senhora do Rosário de Fátima ergue-se no local onde os três pastorinhos brincavam «a fazer uma paredita» no dia 13 de maio de 1917 quando viram um relâmpago repentino que os surpreendeu e fez com que juntassem o rebanho, para regressarem a casa, com receio de que chovesse.
O projeto foi concebido pelo arquiteto Gerardus Samuel van Krieken e continuado por João Antunes. A primeira pedra foi benzida em 13 de maio de 1928 pelo arcebispo de Évora e a dedicação celebrou-se em 7 de outubro de 1953. O título de basílica foi-lhe concedido por Pio XII, pelo breve Luce Superna, de 11 de novembro de 1954.
O edifício tem 70,5 metros de comprimento e 37 de largura e foi totalmente construído em pedra calcária da região, branco de mar.
O templo é constituído por uma grande nave com capela-mor, transepto e duas sacristias, uma das quais foi convertida em lugar de culto (Capela de S. José).
Tem 14 altares laterais (de mármore de Estremoz, Pero Pinheiro e Fátima); em cada um deles está representado um mistério do Rosário, em baixos-relevos de bronze, da autoria de Martinho de Brito e depois dourados por Alberto Barbosa. O 15.º mistério está representado na abóbada da capela-mor; trata-se de um alto-relevo de Maximiano Alves. Os vitrais dos altares laterais representam invocações da ladainha de Nossa Senhora e foram concebidos por João de Sousa Araújo. O arco cruzeiro ostenta em toda a volta um mosaico, feito nas Oficinas do Vaticano e oferecido pelos católicos de Singapura, onde se lê «Regina Sacratissimi Rosarii Fatimae Ora Pro Nobis» (Rainha do Sacratíssimo Rosário de Fátima, rogai por nós). Em 10 de abril de 1998, foi colocada nas paredes laterais uma Via-sacra, constituída por 15 painéis em mosaico, da autoria de Fred Pittino.
Em 1995, foi remodelado o presbitério, sob projeto do arquiteto Erich Corsepius. Ao centro situa-se o altar, de pedra, para onde foi transferido do primitivo altar o frontal de prata – jóia de arte criada pela Ourivesaria Aliança – em que está representada a Última Ceia. O ambão, a peanha de Nossa Senhora e a cadeira da presidência são feitos da mesma pedra do altar. O sacrário, tal como o frontal do altar, é de prata lavrada. O quadro do retábulo é obra do pintor João de Sousa Araújo e representa a Mensagem de Nossa Senhora que desce em forma de luz e de paz, ao encontro dos videntes, preparados pelo Anjo, através do seu encontro com Cristo na Eucaristia; presente está também a Igreja (nas pessoas do bispo diocesano e dos papas, aí representados).
No braço esquerdo do transepto encontra-se a capela em que repousam, desde 1 de maio de 1951, os restos mortais da Beata Jacinta, que morreu no dia 20 de fevereiro de 1920, e os da Irmã Lúcia, que faleceu em 13 de fevereiro de 2005 e para ali foi trasladada no dia 19 de fevereiro do ano seguinte. A imagem da Jacinta que aí se encontra é da autoria de Clara Menéres e foi benzida por João Paulo II no dia 13 de maio de 2000. No extremo oposto do transepto está a capela onde estão depositados desde 13 de março de 1952 os restos mortais do Beato Francisco, que morreu em 4 de abril de 1919. Naquele mesmo dia 13 de maio de 2000, João Paulo II benzeu a imagem do Francisco, obra do escultor José Rodrigues.