Dès le XIe siècle un important pèlerinage à la Vierge se déroulait à Orcival. La grande basilique reprend le plan de la cathédrale de Clermont-Ferrand. Creusée à flanc de montagne, elle a fait l’objet d’importants travaux de terrassement. 

La façade occidentale est simple, elle enferme un vestibule surmonté par un étage. La longue nef est composée d’un vaisseau central voûté en plein cintre et de bas-côtés couverts d’un étage de tribunes. L’entrée principale se situe sur le côté sud. Le grand transept enferme une croisée surmontée par une coupole, sous le clocher. 

Le chevet est composé d’une abside entourée d’un déambulatoire ouvrant sur quatre chapelles. Dessous, une vaste crypte à demi enterrée reprend le plan du choeur, à l’ouest se trouvent trois niches pour l’exposition des reliquaires. L’extérieur du chevet présente une composition pyramidale associant en un tout harmonieux les chapelles du transept, le déambulatoire, les absidioles, la partie supérieure de l’abside, les murs de la croisée de choeur et le clocher (qui a été refait).

L’église a été endommagées lors de tremblements de terre au XVe siècle et a connu de nombreuses campagne de restauration, notamment depuis son classement aux monuments historiques en 1840.

Les chapiteaux sont exécutés par plusieurs sculpteurs qui ont œuvré à Saint-André de Besse, à Notre-Dame du Port de Clermont-Ferrand ou à Saint-Julien de Brioude. Ceux à motifs végétaux sont les plus nombreux, les plus beaux se situant dans le rond-point. Dans l’iconographie, on trouve aussi des scènes figurées : un avare, Samson luttant contre le lion, des centaures, des griffons, des aigles, des soldats et un démon.

L’église était entièrement peinte au Moyen-Âge, mais ses enduits peints ont été entièrement décapés.