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教堂始建于公元1871年（清同治十三年）5月24日，1873年4月建成希腊式山顶大堂。后因教友增多，原有大堂陈旧狭小，故拆除并于1925年奠基重建，1935年11月正式落成，历时十年。1980开始大修，1984年完工。
1942年9月2日，被罗马教廷（教宗比约十二世）敕封为乙级圣殿（级别仅次于罗马教廷大殿），成为中国天主教徒朝觐的圣地。这是远东地区第一座受到敕封的圣殿，亦是目前中国大陆唯一的乙级圣殿。
教堂建筑造型独特，南长北短，东宽西狭，内圆外尖、内石外砖。拱顶为钢筋混凝土浇筑，外顶铺以碧绿色琉璃瓦。大堂建筑风格中西合璧——拱顶、甬道为罗马式；廊柱为希腊式；尖顶为哥特式；橄榄形钟楼为以色列式；东端小圆顶为西班牙式；清水壁、斗角地砖、琉璃瓦为中国式。
钟楼高38米。顶部圆穹上竖立一铜铸圣母脚踏毒龙、手托小耶稣铜像，寓意欢迎各地前来的朝圣者。这座铜像高4.8米、重1.2吨，是2000年重铸的。原铜像遭到毁坏，1985年复殿之初，在钟楼上临时安装了一个铸铁十字架。
教堂由葡萄牙籍耶稣会会士叶肇昌设计，建筑具有罗马过渡时代的风格，平面呈不对称式样。教堂东西长56米、南北宽16.1米，最宽处24.7米。内顶高16.5米、屋脊高22.3米。内设3000个座位，可容纳4000余人。