Planurile Bazilicii Notre-Dame au fost intocmite in 1824 si au fost efectuate de arhitectul James O’Donnell. Potrivit arhivelor vremii, a fost nevoie de doi ani pentru a se ridica zidurile bazilicii si fatada pana la baza turnurilor. Din 1827, cadrul de lemn a fost completat si interiorul a fost finalizat doi ani mai tarziu.

O'Donnell a fost un promotor al miscarii neo-gotice si bazilica reflecta cu siguranta preferintele sale. Cladirea are o forma dreptunghiulara si turnuri iar elementele decorative sunt incredibile. O mare parte din interior este sculptat din lemn rar, aurit sau vopsit. Chiar inainte de finalizarea capodoperei sale, O'Donnell a fost atat de marcat de creatia sa, incat s-a convertit la catolicism pe patul de moarte, din acest motiv fiindu-i acordat privilegiul de a fi ingropat in cripta, fiind singura persoana care a primit aceasta onoare.

Unul dintre cele mai faimoase nume care au lucrat la interiorul bazilicii a fost arhitectul Victor Bourgeau. Din 1872 pana in 1879, acesta a lucrat la altarul principal al bisericii sculptat din lemn de tei. Altarul initial a fost ulterior inlocuit cu un altar turnat in bronz de un alt arhitect din Montreal, Charles Daudelin. Uimitoarele vitralii din Notre-Dame, importate din Limoges, Franta, descriu istoria orasului. Culoarea albastra a peretilor este neobisnuita, dar ofera vizitatorilor sentimentul uluitor de a fi in aer liber sub un cer senin. Sculptorul Henri Bouriche a conceput statui mari pentru altarul principal si a proiectat Catapeteasma, elaborate amandoua de Bourgeau.