La basilique a été construite sur le terrain de la Grotte de Massabielles, lieu des Apparitions pour concrétiser la demande qu'aurait faite la Vierge à Bernadette Soubirous. Le terrain, propriété de la Ville, est acheté par le diocèse en 1861. La construction s'étend entre 1862 et 1871 selon le projet de l'architecte Hippolyte Durand et l'église est consacrée en 1876. Le délais de construction s'explique par la nécessité de trouver les financements et par la complexité des travaux, demandant l'aplanissement du rocher surmontant la grotte et l'édification de murs de soutènement.

Les vitraux sont l'oeuvre de Lucien Laurent-Gsell et ont été offerts par des des donateurs (particuliers, diocèses, paroisses, congrégations...). Les fenêtres ont été posées en 1877 pour les fenêtres basses et en 1878 pour les fenêtres hautes. L'église possède un orgue de choeur à 10 jeux, construit par Aristide Cavaillé-Coll en 1872 ainsi qu'un grand orgue de tribune du même facteur, inauguré en septembre 1873 par Charles-Marie Widor.