El templo se edificó para obedecer el mandato de la Virgen que se apareció en 1541 a un indígena llamado Juan Diego Bernardino.

Su fachada, de estilo barroco estípite, presenta un rico trabajo de argamasa que forma una especie de concha donde preside la Virgen, San Francisco de Asís y los siete Arcángeles.

En la parte posterior del altar principal se encuentra el Camerín, éste es el lugar donde preparan la Imagen de la Virgen para las fiestas religiosas; el 1.º de enero y el tercer lunes de cada mes de mayo por nombrar las más importantes, también es utilizada para ceremonias privadas de no mas de 25 personas. El camerín es un octágono perfecto lleno de colorido, Es obra singular de arquitectura y popular, cuenta con una mesa en el centro de madera de ahuehuete realizada en una sola pieza en la cual se localizan 8 changos en las patas haciendo alusión a la felicidad.

Sin duda alguna, una de las más hermosas iglesias en Tlaxcala, es la de Nuestra Señora de Ocotlán, la cual se encuentra sobre una colina en las inmediaciones de la Ciudad de Tlaxcala. Las fachadas con sus torres son de las más delicadas que se pueden apreciar; el conjunto llama mucho la atención desde lejos y entorno a él se abre el valle de Tlaxcala con sus impresionantes montañas. El conjunto se complementa con dos edificaciones: la Capilla de Guadalupe, que hoy se ocupa como baptisterio y en la que se pueden apreciar cuatro vitrales alemanes, y al extremo opuesto el portal de peregrinos.

Sin lugar a dudas, Ocotlán es uno de los mayores centros religiosos de México y ha sido muy visitado por millones de peregrinos desde el Siglo XVI. Cada año cientos de personas llegan en autobuses de todas partes del país para venerar a la Virgen de Ocotlán.

La primera misa del año es a las siete de la mañana y se le conoce comúnmente como misa de gallo, misa que se hace el primero de enero, en el atrio de la iglesia caben más de mil personas.

Todos los domingos a un costado de la basílica ya es tradición para los lugareños el asistir con sus familias a desayunar diversos antojitos mexicanos típicos; es este lugar también pueden encontrarse artesanías en barro, palma, así como dulces regionales.

En la entrada principal se encuentra el grupo escultórico de la Virgen y a sus lados Juan Diego y una madre ofreciendo a su hijo. Se pueden observar dos fechas 1541 año de la supuesta aparición de la Virgen y 1957 el cincuentenario. Esta semeja a un retablo cubierto por una concha.

Como todas las fachadas de arte sacro, cumple una función didáctica, para que el pueblo, a través de símbolos y figuras, entienda los misterios de la fe que profesa; construida con ladrillo recortado y recubierto por una mezcla que incluye baba de nopal, baba de caracol, cal y arena fina realizada por verdaderos maestros en el arte de la yesería, propio de la región, que muestra en conjunto mucha simetría y equilibrio. Debió construirse entre 1760 y 1790.

Es considerada como la cumbre del barroco churrigueresco, admirada y elogiada lo que ha llevado a su reproducción en varios libros de arte. El punto de convergencia de esta fachada es la ventana en forma de estrella en la que destaca la figura aérea de la Virgen.

Las torres tienen una altura de 33 m y encuadran la gran fachada. Ambas culminan en lo alto con una cúpula con linternilla, en donde se anclan respectivamente dos magníficas cruces de hierro forjado, su construcción data del último tercio del siglo XVIII. El tema de las torres es el de Eucaristía y por esta razón las columnas cilíndricas se adornan con parras y uvas.

El magnífico retablo se encuentra en el ábside y cubre los muros en su totalidad, formando una barroca gruta dorada de gran unidad de estilo. Se compone de dos cuerpos, un remate y una pequeña bóveda que lo corona. En su hechura se utilizó madera de cedro y oro de 23.5 kilates.

Es formado por un jardín de hojas, flores y frutas. Se observan innumerables conchas, cadenas de florecillas, guirnaldas de granadas, festones ondulantes, cestas con arreglos vegetales. En el arco Toral cinco espejos llevan grabadas las letras del nombre de María.

Los ocho ángeles se observan sobre la cornisa y llevan en sus manos las insignias que expresan la concepción de la Virgen. Los ocho espejos brillan a los pies de los ángeles. Las ocho letras del Ave María se repiten interminablemente recorriendo la cornisa. Se localizan ocho changos en las patas de la mesa de madera de ahuehuete que se ubica al centro, así como los muebles ricamente tallados de la sacristía Los siete lienzos con lujosos marcos de hojas, un moño en la clave y unas volutas gigantes en la base y están firmados por el pintor Juan de Villalobos en 1723, su medidas son de 3,20 m por 2,35 m.

Los doce Apóstoles y María representando el día de Pentecostés se localizan en la cúspide yen un círculo de nubes y de fuego. En la antesacristía se observan cinco lienzos del artista Miguel Caro pintados en el año de 1781 que relatan la historia de la aparición de la virgen.

Está enmarcada por dos bellas torres con base de ladrillo y cuerpos de argamasa. En su interior descubrirá en el presbiterio una maravilla dorada en retablos barrocos, la mayoría ejecutados en el siglo XVIII por el indígena Francisco Miguel Tlayotehuanitzin, y pinturas que narran la aparición de la Virgen.

Durante 100 años, Ocotlán permaneció bajo custodia de los franciscanos.

En 1670 fue nombrado el primer capellán don Juan Escobar quien hace el llamado a todos los pueblos para el acarreo del material y con mano de obra. El primer retablo que se realizó fue aquel que se localiza en la sala siniestra. La fábrica desnuda del templo es de finales del siglo XVIII. El cronista Buenaventura Zapata, asegura que el «lunes trece de enero de 1687, se colocaron los primeros cimientos del templo por el presbítero Juan Escobar y se puso dinero en metálico a los cimientos».

El segundo capellán (1691-1716) fomentó las festividades de la bajada y subida de la Virgen por las principales calles de Tlaxcala. Y levantó el segundo retablo del crucero con dedicación a la virgen de Guadalupe. El tercero y más prominente capellán fue el bachiller Manuel Loayzaga quién toma posesión en el año 1716; escribe la historia sobre Ocotlán, dada a la estampa en 1747 y reeditada en 1750. Éste, con el apoyo generoso del artista indígena Francisco Miguel, elaboró el retablo central, nicho de plata, el Camerín y el púlpito. En Antonio Fernández fue platero artífice quien nunca quiso cobrar su trabajo. Construye también la sacristía de bóveda de artista.

El cuarto capellán fue Manuel Ponce de León (1758-1767) y el quinto José Meléndez (1767-1784) quienes construyen la grandiosa fachada con sus esbeltas torres y las que colocaron la campana mayor.

Luis Munive construye el atrio y los arcos de la calzada del pocito