Visto a distancia, da la impresión de un soberbio edificio, a tono con las modernas edificaciones de la ciudad. Pero considerada de cerca y al detalle, se ofrece como gallarda obra de arquitectura, como obra monumental y como hermoso fruto de la devoción y gratitud de favores hacia la Virgen Blanca.

En su fachada principal destaca la imagen pétrea de la Virgen de Fátima de 4 metros de altura, esculpida por Failde, mirando hacia las estatuas de los tres videntes,  sitos en la plazuela del atrio.

En el interior los bancos son de madera de castaño con el anagrama de la virgen y dos florones simétricos. En los extremos, águilas de gran tamaño. Fueron tallados por los escultores ourensanos Hermanos Núñez.

En los laterales hay seis ventanales de vidrio antiguo, alemán, de 6,25 metros de altura que representan a la anunciación, el nacimiento del Señor, la visitación, la purificación, la corredención y la mediación.

Existen tambien en las paredes laterales mosaicos romanos policromados, de los cuales es autor el catalán Padrós, que representan diversos pasajes bíblicos.

En el ábside se abre el camarín de la imagen de Nuestra Señora de Fátima. que peregrinó por todos los pueblos de la diócesis ourensana. En los plementos el artista Don José Pérez  plasmó, en altorrelieve, los símbolos marianos cuyos bocetos se deben a Don Jesús Soria González, Catedrático de dibujo, quién, a su vez es el autor de los bocetos de toda la policromía de los ventanales y puertas que luce el Santuario.

Debajo del camarín de la virgen y detrás del altar se encuentra una hornacina que aloja una imagen de nuestra señora de Fátima de 65 centímetros de altura, fundida en plata por Malingre, según modelo de Liste, y que besan los peregrinos. Cierra esta hornacina una doble puerta fundida en niquel, cuyo exterior ofrece los bustos de los papas Pío XII y Juan XXIII. El interior está decorado con objetos de plata y oro, ofrendas de los devotos  y peregrinos. Existen también seis vidrieras artísticas que representan a Francisco y Jacinta y las apariciones del Ángel en Cova de Iría, obra de Mauméjean de Madrid.

En los muros del presbiterio cuelgan también los escudos de armas, fundidos en níquel e incrustados en mármol verde, de los dos obispos Blanco Nájera y Temiño Saiz.

Los ambones y el comulgatorio están fabricados en bronce y níquel, en Fundiciones Malingre, según boceto de Jesús Soria y hermanos Núñez. Sus racimos y espigas aluden a la eucaristía.

El reloj del santuario muestra una esfera original sobre rosetón de piedra en el que se lee: “ave virgo alba”. Las nueve campanas han sido fundidas en Holanda, con el bronce donado por devotos. Cada una tiene su nombre propio. Cuenta con un dispositivo automático para las sonerías: "el trece de mayo, ave maria y laudate mariam".