L'intérieur du bâtiment est très représentatif du dernier gothique comtois La nef compte 3 travées et 6 chapelles distribuées de part et d'autre.

Depuis 1948, l'église a le rang de basilique de par la présence en ses murs d'une petite statuette miraculeuse de la Vierge (dite Notre-Dame de Gray), et du coeur de Saint Pierre Fourier.