Das Innere der Basilika del Pilar besteht aus drei Schiffen, von denen das mittlere das breiteste ist, und sieben Jochen, die von großen, mit klassizistischen Pilastern verzierten Säulen getragen werden. Sie werden von Gesimsen gestützt, die Kuppeln auf Pendentiven und Gewölben tragen. An den Seitenwänden befinden sich Kapellen, die mit Kuppeln oder Gewölben bedeckt sind. Zur Innenausstattung gehören Girlanden und Puttenfiguren, ein Werk des Bildhauers Manuel Miguel Gálvez aus dem Jahr 1871.

Vom unteren Portal am östlichen Ende der Südfassade aus gelangt man im Uhrzeigersinn zu den Kapellen Santa Ana und San José, gefolgt von der Hauptsakristei und den Kapellen San Antonio und San Braulio bis hin zum oberen Portal. Im westlichen Teil, neben dem Chor, befinden sich vier kleine Kapellen, unter denen die Kapellen Ecce Homo und Buena Esperanza hervorstechen. Am Fuße der Kirche befinden sich die Kapellen des Rosenkranzes und San Agustín, zwischen denen sich der Kapitelsaal befindet.

Auf der Nordseite, vom hohen Portal zum Ebro hin, befinden sich die Kapellen San Pedro Arbués, San Lorenzo, San Joaquín und die Sakristei der Heiligen Jungfrau, während sich in der Mitte das Pilarista-Museum befindet. Gegenüber der Santa Capilla befindet sich der Coreto de la Virgen und zu beiden Seiten die Kapellen von Santiago und San Juan, die sich neben dem unteren Tor des Platzes, dem Haupteingang für Besucher, befinden.

Das Pilarista-Museum beherbergt eine Sammlung von liturgischen Gegenständen, Kronen, Schmuck und mehr als 350 Mänteln der Jungfrau. Mehrere Erzbischöfe von Zaragoza sind in der Kirche begraben, ebenso wie der Heilige Braulio und General Palafox.

Ein wichtiges Ereignis fand am 3. August 1936 statt, als ein republikanisches Flugzeug vier Bomben auf Zaragoza abwarf. Eine Bombe fiel auf die Straßen der Stadt, eine andere auf die Plaza del Pilar, eine dritte durchschlug das Dach der Kirche und die letzte schlug in der Nähe des Wandgemäldes von Goya im Coreto ein. Keine von ihnen explodierte, und zwei von ihnen werden als Souvenirs in der Basilika aufbewahrt. Obwohl viele dies für ein Wunder hielten, führten spätere Berichte das Scheitern auf technische Defekte, Sabotage und die Tatsache zurück, dass die Bomben in sehr geringer Höhe abgeworfen wurden.

Im Inneren der Basilika sind die Flaggen Spaniens und Lateinamerikas zu sehen, da die Virgen del Pilar als Schutzpatronin der spanischsprachigen Welt gilt.