La actual construcción del santuario corresponde a la tercera edificación de la misma, iniciada en 1490 y terminada en 1696.

Entre los principales artistas que trabajaron para su ornamentación constan: Diego de Robles, Miguel de Santiago, Nicolás Gorívar, Juan Bautista Menacho, Gualoto, Caspicara, Samaniego.

Se muestran tres salas de exposición con obras restauradas por el convenio Ecuador-España (1987-1993).

En la primera sala se muestra la obra cumbre del máximo exponente del arte colonial, el pintor quiteño del siglo XVII, Miguel de Santiago, que representa en doce lienzos Los milagros de la Virgen de Guadalupe.

En la segunda sala se exhiben obras como: Virgen María, escultura anónima del siglo XVI, Crucifijo, escultura anónima del siglo XVII, Ángeles, esculturas anónimas del siglo XVIII, decoraciones marianas como "Columnas de plata" y Mariolas, anónimas del siglo XIX.