Cette basilique a été dessinée par Juan de Herrera à partir des projets d'architectes italiens. Cela explique sans doute le schéma intérieur calqué sur St-Pierre de Rome : un plan en forme de croix grecque, une coupole haute de 92 m supportée par quatre piliers colossaux et des voûtes en berceau pour les bras du transept. Nouveauté dans l'atrium : la voûte est plate. L'architecte espagnol a également signé l'immense retable haut de 30 m et l'ostensoir. De chaque côté du choeur se trouvent les mausolées de Charles Quint et Philippe II.