La chiesa fu disegnata dal Valotti in puro stile neoromanico (che richiama il Romanico lombardo), con una pianta a croce latina lunga 48 m, sulla quale si sviluppano l'aula a tre navate, il transetto, sormontato da una cupola alta 32 m, e il presbiterio. La chiesa e' stata costruita da il 1915 e 1926
Esterni
L'edificio è costituito da una facciata minore laterale (a nord), che richiama il disegno di quella frontale principale. Le pareti esterne all'edificio sono in pietra lavorata, mentre ai due lati si elevano le due torri campanarie, che raggiungono l'altezza di ben 52 m ciascuna. Su quella di sinistra fu montato un orologio a carillon, sopra il quale furono poste sei campane, la principale delle quali, denominata La Vittoria, ha un diametro alla base di 1,42 m e un peso di 20 quintali. Sul portone è raffigurato un mosaico raffigurante De Marie concezione, sormontato da vetrate e da un rosone a otto petali, simile a quello della facciata laterale. Otto sono anche i lati della cupola posteriore. Ai lati esterni dell'ingresso principale è altresí presente un bassorilievo in bronzo e un mezzobusto del fondatore Carlo Bovero, più un'opera, sempre in bronzo, dedicata ai militari valsangonesi del 3º Reggimento alpini, che si distinsero proprio nel periodo di costruzione della chiesa.
Sul lato sud-ovest dell'edificio è presente l'elegante parco interno, con l'ospizio Richelmy, che funge da foresteria, e l'asilo Maria Zappata, anch'esso ad oggi utilizzato come foresteria. Dall'altro lato del santuario la Casa Missionaria, inaugurata dal cardinale Gamba nel 1926, fu utilizzata dagli amministratori del santuario fino al 1990, allorché passò alle dirette dipendenze della Curia Torinese. Ristrutturato completamente da quest'ultima, l'edificio prese il nome di "Fondazione Pugno", ed è adibito a casa di riposo per anziani.
Interni
Come per l'esterno, anche all'interno della chiesa il tema predominante è la finestra lunga con gli archi a tutto sesto. Il presbiterio si chiude con una balaustra di colonnine che misurano 52 m in lunghezza. L'altare maggiore monumentale in marmo fu posto sul fondo dell'abside, quest'ultima costituita da tre vetrate. Qui venne anche posta una statua della Madonna di Lourdes. Una galleria, che corre lungo tutta la zona dell'abside, ospita due statue dell'antica cappella (1608), rappresentanti i santi Antonio abate e Rocco, un bassorilievo dell'arcivescovo Richelmy, che consacrò la prima versione della chiesa (1909), le spoglie mortali dello stesso Carlo Bovero e numerosi quadri ex voto. L'altare centrale invece, viene usato per la celebrazione della Messa versus populum, secondo i dettami della riforma liturgica; interamente ligneo, fu decorato con otto figure di angeli e posto al centro del presbiterio.
Un braccio della pianta a croce latina invece è occupato dalla "grotta", realizzata ad imitazione della grotta di Massabielle di Lourdes, dinnanzi alla quale sono due statue rappresentanti San Paolo primo eremita (lato sinistro) e san Padre Pio (lato destro); la chiesa ha un'unica cappella laterale, a pianta quadrata, sita al fondo della navata destra, quest'ultima dedicata a Santa Maria Bernardetta Soubirous. Questa cappella ha una volta ogivale ed è interamente affrescata, contiene un altare sul lato sinistro ed una statua della santa. Nel 2011 inoltre, fu eretto, su una parete della navata, un altare dedicato al santo papa Giovanni Paolo II.
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