El Santuario de Guadalupe es una construcción de una sola nave, transepto en cruz y ábside semicircular, su exterior es sencillo y con aires barrocos aunque no tiene muchos detalles arquitéctonicos, cuenta con dos torres de cantera, aunque originalmente solo tenía una y una cúpula de tambor octagonal con ventanas de la misma forma y linternilla corona el crucero.
El actual interior del templo data de 1910 cuando fue remodelado en estilo neoclásico por padres jesuitas que se encargaron el templo durante unos años antes de la construcción del propio;[1] está formado por una sola nave cerrada por arcos y bóveda de cañón, en la cabecera se encuentra el coro que cuenta con un órgano, a la mitad de la nave en la pared izquierda cuenta con una puerta lateral y en ambos lados de la nave se encuentra grandes ventanales con vitrales que representan a las tres virtudes teologales, Fe, Esperanza y Caridad.
En el ábside se encuentra el altar mayor realizado en mármol blanco y coronado por una imagen de la Virgen de Guadalupe realizada por Miguel Cabrera como copia del original del Tepeyac en la Ciudad de México y que llegó a Chihuahua en el siglo XVII, antes del inicio de la construcción del templo.
Tras las reformas litúrgicas promovidas por el Concilio Vaticano II el altar fue separado el retablo y el antiguo púlpito fue transformado en ambón, se conservó así mismo el comulgatorio realizado también en mármol blanco.
En los transeptos y la nave se encuentra además diez grandes cuadros que tratatan episodios de la vida de la Virgen María y que también fueron originalmente realizados para el templo del Colegio Jesuita.