Los diseños del templo fueron realizados por Felipe Sánchez en 1681 y fueron modificados por Francisco Herrera. En la construcción de la capilla de la Virgen intervinieron Ventura Rodríguez y el escultor José Ramírez. Pero quizás la pieza más importante de la Basílica sea el retablo mayor, obra de Damián Forment (1509) de tipo gótico-renacentista, realizado en alabastro policromado, que relata escenas de la vida de la Virgen y la presentación de Jesús en el templo.
Cúpula del altar mayor. Corría el año 1752 cuando Antonio González Velázquez dibujó sobre unos papeles los dibujos definitivos de la que iba a ser la mejor obra de su vida y forró con ellos la cúpula del Pilar. Los 400 metros cuadrados de la superficie de la cúpula de la capilla del Pilar, y sus pechinas, los pintó González Velázquez con una difícil técnica que los italianos denominaron "buon fresco ", la cual exigía una ejecución rápida y certera, ya que no permitía rectificación alguna después de haberse secado el enlucido.
Como tema central de la misma, el pintor madrileño plasmó en imágenes, de acuerdo a los cánones del estilo rococó, la aparición de la Virgen en la ciudad de Zaragoza y, a orillas del Ebro, al apóstol Santiago. Según la tradición, el milagro sucedió el 2 de enero del año 40 de la era y así lo recogió en 1680 el canónigo Félix Amada en su "Compendio de los Milagros de Nuestra Señora del Pilar ". González Velázquez también representó el primer edificio de la Basílica del Pilar, construido, según la tradición, por el propio apóstol Santiago con la ayuda de los ángeles.
Por otro lado, todas las pinturas que se encuentran en torno a la Capilla de la Virgen, excepto la que está delante de la capilla de San Joaquín, fueron ejecutadas por los hermanos Bayeu y representan temas relacionados con la Virgen. El resto de las pinturas fueron realizadas por Goya, siendo la obra más destacable del pintor la de "Santa María, Reina de los Mártires" (1781) pintada en la cúpula de la capilla de San Joaquín.
La Virgen del Pilar. Las últimas investigaciones apuntan a que su autor pudo ser el darocense Juan de la Huerta, quien posiblemente la realizó en el año 1434, poco después del incendio que se declaró en la Basílica. El artista se formó en Dijon (Francia) y perteneció a la escuela borgoñesa, cuyas características de trabajo son claramente visibles en la técnica de los pliegues de paños mojados que luce la Virgen en su túnica, así como en la composición de la imagen con el niño. Tallada en madera de una sola pieza, la Virgen del Pilar pasa por ser la más venerada del mundo de habla hispana y tiene una altura de tan sólo 36 centímetros. En sus orígenes, careció por completo de policromía, excepto en el rostro y manos de María y en el cuerpo del niño. El resto de la talla estaba por completo recubierto de oro de 24 quilates.