la basilica a croce latina, con struttura in mattoni a faccia a vista e tetto a capanna, è architettonicamente ispirata allo stile tipico del revival neogotico di inizio Novecento. Lo testimoniano elementi caratteristici quali: la bicromia rosso-grigia del rivestimento esterno a fasce orizzontali; il profilo ogivale delle diverse bucature dell'edificio (portale d'ingresso, portali laterali, bifore) e degli archetti pensili dei cornicioni esterni. Sulla facciata, tripartita da pilastri aggettanti a tutt'altezza, è chiaramente leggibile la suddivisione interna in tre navate. Al centro, tra bifore archiacute, è il maestoso portale strombato con colonnine tortili; il prezioso mosaico della lunetta raffigura la visione di Costantino sul Ponte Milvio. Un'ulteriore partizione del fronte in un registro superiore e inferiore è data da una cornice modanata tangente il rosone con cornice in pietra e mattoni. La cornice è interrotta dall'edicola con le statue di San Giuseppe e del Bambino, affiancata sui due lati da una breve teoria di quattro nicchie minori, tra colonnine lisce, con statue di santi. La facciata è coronata da una cornice modanata con profilo a capanna. Gli altri fronti sono scompartiti in campate cieche individuate da pilastri in aggetto a fasce bicrome. L'interno è diviso in tre navate e tagliato perpendicolarmente da un transetto; all'estremità di destra si trova la cappella del Sacro Cuore di Gesù, a quella di sinistra la cappella della Madonna di Pompei. Il braccio sinistro conduce, inoltre, alla sacrestia e al convento agostiniano. Sopra le cappelle due profondi matronei si affacciano sul coro. Le navate sono divise in campate da pilastri polistili e sono coperte da crocere ogivali. Le semicolonne dei pilastri si ricongiungono alle nervature della volta della navata centrale. Sopra le arcate ogivali la parete è ritmata da coppie di bifore cieche; la luce proviene dai soprastanti occhi circolari. In origine anche l'interno della chiesa era dipinto a fascioni chiari e scuri come l'esterno, mentre attualmente il colore è a toni uniformemente chiari. Il presbiterio è fortemente rialzato rispetto alle navate, poichè collocato sopra la cripta attualmente chiusa; si conclude con un'abisde pentagonale circondata da un deambulatorio. Sull'altare maggiore, ulteriormente rialzato di tre gradini dietro la mensa d'altare, troneggia un grande Crocefisso maiolicato. Elementi decorativi a decorare l'interno furono chiamati diversi artisti locali tra cui Vittorio Menegoni (cappella della Madonna di Pompei con decorazioni di Pasquale Garofani), Ciro Pavisa (cappella del Sacro Cuore) e Stefano Pigini (leggio). Nella ricorrenza del cinquantesimo di consacrazione della chiesa fu collocato sull'altare maggiore un grande Crocefisso maiolicato, opera di Angelo Biancini. Il prezioso mosaico veneziano (1914) all'interno della lunetta sopra il portale d'ingresso, raffigurante la visione di Costantino su Ponte Milvio, è dono del pontefice Pio X al vescovo Franceschini che ebbe sepoltura proprio in questa chiesa, nella parete posteriore dell'altare maggiore. Finestre la chiesa presenta un doppio ordine di finestre: circolari nel registro superiore a illuminare navata centrale e matronei del transetto; bifore ogivali al piano terra a illuminare le navate laterali, i bracci del transetto e il deambulatorio attorno all'abside. Struttura la basilica ha struttura in mattoni a faccia a vista e tetto a capriate lignee.
Vl. Cairoli, 52 - Fano (PU)