L'elemento architettonico più significativo della basilica è la sua maestosa cupola, alta 121 metri, progettata dall'architetto-ingegnere Alessandro Antonelli (stesso architetto della Mole Antonelliana), simbolo della città e segno distintivo del suo panorama, visibile da ciascuna delle arterie stradali che conducono al centro storico. Il primo progetto venne presentato nel 1841 mentre i lavori iniziarono nel 1844. Per la costruzione l'Antonelli decise di utilizzare solo materiali della zona, ovvero mattoni e calce, senza impiego di ferro. Il campanile, alto circa 75 metri, è opera di Benedetto Alfieri, zio del famoso drammaturgo, e fu costruito tra il 1753 e il 1786. Si trova distaccato dalla chiesa ed è realizzato in conci di cotto e granito di Baveno. La basilica ha pianta a croce latina, a un'unica navata affiancata da sei cappelle laterali collegate tra loro, veri e propri scrigni di opere d'arte. Sospeso al centro della navata si trova un enorme lampadario con fiori in ferro battuto, a ricordo dell'incontro tra Gaudenzio, vescovo di Novara e Ambrogio, vescovo di Milano, nonché della secolare offerta di cera da parte dei 59 Comuni del circondario. A sinistra dell'altare, una scaletta conduce alla "Cappella dello Scurolo", accessibile solo durante la festa patronale, realizzata dall'architetto Francesco Castelli tra il 1674-1711 per custodire le reliquie di San Gaudenzio.