La Basílica fue construida entre 1887 y 1935. Los arquitectos que formaron parte de la obra fueron Ingeniero Alfonso Flamand; Arquitecto Ulrich Courtois; Arquitecto Ernesto Moreau; Ingeniero Rómulo Ayerza; Arquitecto Fleury Tronqoy; Arquitecto Sombrum; Arquitecto Trouve; Arquitecto Laspe.

La piedra fundamental fue colocada en la tarde del 15 de mayo de 1887. Se organizó una procesión que recorrió las calles de la plaza Constitución (hoy plaza Belgrano) con representantes de la Provincia, Asociaciones católicas, delegados de los Obispos de Paraguay, Paraná, los Vicarios Capitulares de Córdoba y Salta, los Obispos de San Juan de Cuyo y Montevideo. Presidió la ceremonia el Arzobispo de Buenos Aires, Monseñor León Federico Aneiros. La piedra fundamental se colocó donde se encuentra el altar mayor, a una profundidad de 4 metros. Es de color blanco, originaria de Tandil, mide 1,22 metros de lado. Conforma un cubo con un hueco en el centro, donde fueron depositados el Acta (donde consta todo lo concerniente a este suceso) firmada por el Arzobispo y otras autoridades, monedas de distintos metales, los retratos de los Papas Pío IX y León XIII y del Arzobispo de Buenos Aires; periódicos de Buenos Aires y de Luján; piedras extraídas de la Gruta de Nazareth y del Monte Calvario, de las Catacumbas de Roma, de los Santuarios de Loreto, del Pilar de Zaragoza, de Monserrat, de Lourdes, de la Salette y de la Basílica de Montmartre.

El 21 de noviembre de 1889, el Padre Jorge María Salvaire eleva una solicitud al Arzobispo de Buenos Aires Monseñor León Federico Aneiros para emprender la grandiosa obra.
Desde Diciembre de 1889 hasta mayo de 1890, el Padre Salvaire lo pasa en estudios preliminares, trabajos preparatorios, construcción de galpones, instalación de maquinarias, perforaciones de pozos semi surgentes, habilitación de hornos de ladrillos y compra de una cantera de piedra caliza en Colón, Entre Ríos para asegurarse esa misma clase de material hasta la conclusión de la obra. Las piedras eran enviadas desde Colón a Buenos Aires por transporte fluvial (río Uruguay) y desde Buenos Aires a Luján por ferrocarril.

En Luján se presentaba el principal problema: la gran distancia entre la Estación del Ferrocarril y la Basílica. Se alivió muchísimo en 1900, con el ramal ferroviario Estación del Ferrocarril a Estación Basílica (Hoy Plaza de los Peregrinos). Aprobados los planos trazados por el Arquitecto Ulrico Courtois y por el ingeniero Alfonso Flamand, Monseñor Aneiros, acompañado por muchísima gente, se dirige en procesión al lugar elegido para abrir los cimientos. Con la delineación de los cimientos del ábside, se inician las obras el 6 de mayo de 1890. A las 4 de la tarde, se comienzan a abrir los cimientos del ábside. En 1893 los hermanos Lozada, de Villa María, provincia de Córdoba, concretaron la donación de todo el mármol necesario.

1895. Se continuó con la construcción de los pináculos y de las balustradas que rodean las capillas del ábside. Se comenzaron a instalar los rosetones y se terminó el muro del lado oeste y sur. En el interior, las columnas ya llegaban a los once metros de altura. En los talleres se estaba construyendo la escalera de mármol que lleva al Camarín de la Virgen. En 1896 comienzan a instalarse la totalidad de los vitrales que fueron traidos de Francia (Burdeos), fabricados por la Casa Degrand. En 1899 muere el Padre Salvaire (cuyos restos están hoy sepultados en el Crucero Oeste de la Basílica), y es sucedido por el Padre Brignardello. La parroquia de Luján pasa ese mismo año a depender de la Diócesis de La Plata. Ese mismo año las torres de los cruceros ya habían llegado a los 30 metros de altura. El Arquitecto Ulrico Courtois adquiere en Bélgica (Lieja) los chapones para la parte posterior del edificio.

Durante el Rectorado del Padre Brignardello se inauguran el ábside, camarín, crucero y cuatro capillas colaterales. Están por completarse las bóvedas bajo las tres naves del Santuario en donde descansará el techo de la cripta. Se recibe desde Génova, Italia, el altar de San Antonio de Padua donado por Margarita Morgan y realizado por el artista Luis Beltrami. Además llega desde Burdeos, Francia el Sr. Dagrand para adaptar los vitrales a las ventanas. En este período se terminan las siete capillas de las naves laterales, que llegan hasta el triforio y la construcción de una divisoria para el bautisterio. El 18 de abril de 1901 toma posesión del Santuario el Padre Vicente Dávani.

En 1904 se afirma que ya se han construido las dos terceras partes de la obra. Llegan las 14 estatuas de mármol de Carrara, destinadas al altar mayor. Cada una de ellas mide 1,26 metros de alto. Finalizadas las obras del ábside, sus capillas, el Camarín, el Altar Mayor y los dos cruceros, el 4 de diciembre de 1904 Monseñor Terrero, Obispo de La Plata, inaugura esas obras. En esta misma oportunidad es trasladada la Imagen de Nuestra Señora de Luján desde el Santuario de Lezica, donde había permanecido desde 1763, a su nueva morada. En 1905, es demolido el antiguo Santuario. Sus escombros se utilizaron en los cimientos de las torres de la Basílica. Se completan los dos púlpitos de origen francés. Se instala el gran órgano Cavaillé-Coll de París, donación de Monseñor León Gallardo. También los candelabros del altar mayor, la cruz dorada con esmalte. Se colocan las 16 estatuas de los apóstoles y evangelistas. De Milán llegan las 13 campanas, que pesa en total 14.915 kilogramos. También llegan las cinco campanas para el reloj. En 1906, en los catorce años que llevaba la obra se habían gastado $1.970.670,43 moneda nacional y habían ingresado en el mismo periodo $2.277.000,20.

En 1910, precisamente el 4 de diciembre, en adhesión al Centenario de nuestra emancipación, presidido por el obispo de La Plata, Monseñor Juan Nepomuceno Terrero, y apadrinado por el gobernador de la Provincia de Buenos Aires, General Inocencio Arias, y la presidenta de la Comisión Colectora Damas de Nuestra Señora de Luján, señora Carolina Lagos de Pellegrini, se realizó el acto de bendición del interior del edificio. Entre 1922 y 1926 se levantan las dos torres completas. Dentro de ellas se colocan el campanario y el carillón con los relojes eléctricos. En 1922 fallece el Padre Davani y al día siguiente asume el Padre José María Gimalac, y este decide concentrarse en la construcción de la torre Este destinada al gran carrillón. El 21 de diciembre de 1924 se consagran las campanas. El 2 de diciembre de 1926 se terminó la colocación del armazón metálico de la torre Este y con una gran ceremonia se inaugura. Luego se continúa trabajando con la torre Oeste.

En 1927 el Padre Gimalac renuncia y es sucedido por el Padre Felipe Prat. El 9 de diciembre de ese mismo año se inaugura la torre Oeste con una gran ceremonia. Después de la solemne Jura de Nuestra Señora de Luján como Patrona principal de las tres Repúblicas del Plata (Argentina, Uruguay y Paraguay), el hecho más culminante fue sin dudas, la consagración de la hermosa Basílica, que efectuó el 6 de octubre de 1930 el Sr. Obispo Auxiliar de La Plata, Mons. Juan P. Chimento en nombre y representación del Sr. Obispo Diocesano Mons. Francisco Alberti. El 8 de Diciembre el Santuario recibe oficialmente el Título de Basílica, concedido el 15 de noviembre por la Santa Sede en ocasión de celebrarse el Tricentenario de la Virgen de Luján. En 1931 se concluyen las dos cruces, rematadas, la del este, por la imagen de la Santísima Virgen, y la del oeste, por el monograma de María. Se coloca la lámpara donada por el Teatro Ópera de Buenos Aires, con 246 tulipas. Al ingreso de la nave central también cuelga la lámpara votiva donada y fabricada por la Republica de Irlanda. En 1935 se da por finalizada la obra de la Basílica, teniendo lugar una serie de homenajes al Padre Salvaire, factor primordial y decisivo de la gran obra, a quien se le erige una merecida estatua en el ángulo NE externo de la Basílica.