El proceso constructivo presenta un edificio gótico de planta basilical, sin crucero, y triple nave con cinco tramos. El espacio de las naves laterales tiene menor altura, para dar cabida a las capillas bajas entre los contrafuertes. La cabecera se desarrolla de forma ochavada con tres paños. Todo el volumen parroquial se ordena en torno a ocho robustos pilares cilíndricos fasciculados. Para el sistema de cubiertas se emplea de crucería con terceletes en la nave mayor y cuatripartitas en las laterales. Sobre la cabecera se dispone una bóveda estrellada de seis puntas, amoldada a los tres paños absidiales. En el interior se combina el estilo gótico original con elementos renacentistas posteriores. Es el caso de las capillas laterales. El coro, situado en la zona de los pies, se construye a finales del siglo XIX. De estilo neogótico, se adapta perfectamente al interior parroquial. De gran altura, se constituye mediante una gran crucería con combados.
Al exterior, la basílica se presenta como un notable conjunto de trama horizontal en el que sobresalen los robustos contrafuertes y los arbotantes de las naves laterales. Otorga verticalidad, la torre barroca situada a los pies. Varias aperturas geminadas, situadas en la nave central y en el ábside, permiten iluminar tímidamente el interior. En el tramo del Evangelio se localiza una interesante portada. Conocida como Portal de la Ribera fue concebida por el maestro cantero Juan de Garita, en el siglo XVI. Está situada en una capilla con gran arco de medio punto y bóveda de terceletes con claves lisas. El ingreso se ordena con un arco carpanel flanqueado por columnas elevadas sobre zócalo alto. Aunque bastante deteriorados, los motivos iconográficos que aparecen la portada son de gran importancia. Se representa toda una serie de motivos antropomorfos y zoomorfos. Destacan varios bustos masculinos, femeninos y de ángeles. Según la tipología representada, el conjunto escultórico fue realizado por el taller de Guiot de Beaugrant, bajo la supervisión de Garita. A los pies de la parroquia se halla otra portada. Fue construida en 1681. Imita formalmente a la puerta de la Ribera. Se estructura con un gran arco carpanel entre columnas dobles que se alzan sobre un zócalo de mediana altura. El entablamento mixtilíneo se decora con motivos geométricos y vegetales. El acceso se remata con una estructura de medio punto. En la misma, se inscribe una hornacina entre pilastrillas con aletones y pequeño frontón curvo. La torre parroquial fue trazada por Lucas de Longa en 1689. Se articula con dos macizos cuerpos cúbicos coronados por cornisa moldurada. El cuerpo de campanas recuerda al de muchas otras torres barrocas del País Vasco. Lo realiza Manuel de Arrospide en 1740. De planta ochavada, cuenta con cuatro aperturas de medio punto. Una serie de pináculos recorren la superficie de la cúpula. Sobre la misma, se eleva la linterna con cuatro arcos de medio punto y coronada por una cruz.
El interior parroquial guarda una importante colección mueble. En la zona del Presbiterio se localiza el retablo mayor. Se trata de una importante obra renacentista en la que intervienen Juan y Guiot de Beaugrant en 1533 y Juan de Ayala a partir de 1549. Las dificultades económicas impidieron su conclusión original. Adaptado a la forma de la cabecera se ordena en tres calles. La central fue policromada en 1749. Las calles se articulan en tres niveles en los que se superponen los tres órdenes constructivos. En el piso inferior, de la calle central, se abre una hornacina que guarda una talla gótica de la Virgen, del siglo XIV. En el nivel superior, se representa a Jesús entre los doctores de la Iglesia. Todas las tallas de la calle izquierda fueron realizadas por Ayala. De buena factura y menor expresividad, reflejan un gran dominio de la escultura para representar a diferentes santos, apóstoles y escenas bíblicas como la huida a Egipto o la Epifanía del Señor. La calle lateral derecha, trazada por los hermanos Beaugrant goza de mayor expresividad y movimiento. El ático se ordena con sendas estructuras de medio punto bajo las que se representan escenas del Calvario y el Descendimiento. El conjunto se remata con un frontón recto y un medio punto con una talla de la Santísima Trinidad. El retablo fue restaurado íntegramente en 1988.
En la zona del Evangelio, se localiza el sepulcro de los Salazar, familia que interviene en la construcción del templo. El sepulcro apareció, detrás del retablo de la Dolorosa, a raíz de los trabajos de restauración acometidos en la última década del siglo XX. De estilo renacentista, data del siglo XVI. La sepultura consiste en una capilla de medio punto con dos columnas a los lados. Sobre las mismas, un pequeño entablamento y frontón recto.
El retablo de la Adoración de los Reyes también se ubica en el lado del Evangelio. De estilo manierista, fue diseñado y ejecutado por los hermanos Juan y Guiot de Beaugrant, a mediados del siglo XVI. Presenta un banco y una sola calle, en la que se representa una buena talla de la Epifania y del Padre Eterno. El conjunto de los relieves es muy dinámico y claramente expresivo. En la zona de la Epístola se sitúa en retablo de Santiago. De estilo manierista, data de la segunda mitad del siglo XVI. También se atribuye al taller de Beaugrant. Consiste en un banco sobre en el que se alzan dos cuerpos de triple calle y pequeña envergadura. En la hornacina central se eleva una interesante talla de Santiago Matamoros. En el mismo lugar, se guarda el retablo de San Antonio de Padua. De estilo neoclásico, data de principios del siglo XIX. En este espacio, ha encontrado resguardo el Cristo del Portal. Talla hispano-flamenca, de finales del siglo XV, procedente de una ermita desaparecida del centro de la localidad. En otro tramo, del lado de la Epístola, se sitúa el retablo de la Dolorosa. Anteriormente localizado en la Capilla de los Salazar. De estilo neogótico, fue confeccionado a principios del siglo XX. Una serie de pinturas completan la decoración parroquial. Destacan el Tríptico de la Coronación de la Virgen en el lado del Evangelio y la Virgen de la Pera en el de la Epístola. El órgano parroquial data de 1903. Es obra de la firma francesa, Henri Didier Epinal.
Entre 1992 y 1994 la basílica fue restaurada completamente. Se limpió la piedra, se mejoraron defectos constructivos y al conjunto de los retablos se les otorgó su aspecto original. En 1996, se inaugura el Museo Parroquial en la sacristía neogótica construida a principios del siglo XX. En 1998, abre sus puertas el Centro de Documentación y Bibliografía. Se completa así todo un proceso, de obras y mejoras, que convierten a la Basílica de Santa María en uno de los edificios más importantes de Portugalete.