L'architecture de la basilique s'inspire largement du style néo-gothique, un parti architectural à la mode dans plusieurs pays européens durant la seconde moitié du XIXe siècle. Elle se compose d'une nef unique divisée en cinq travées, largement éclairée par une série de baies géminées surmontées d'oculi.
Reprenant la disposition traditionnelle (plan en forme de croix latine) des églises médiévales, elle se compose d'un vaisseau long de 58 mètres et large de 14 mètres, se prolongeant par un transept peu saillant et par une abside quadrangulaire. Le mur situé derrière le maître-autel accueille une croix monumentale et une statue de la Vierge (La Madone de Ouidah). La voûte lambrissée, portée par une structure métallique, s'élève à près de 17 mètres 50.
Le clocher, en léger retrait par rapport à la façade, reste inachevé (une flèche devait le couronner, mais ne fut jamais réalisée faute de moyens financiers).