La chapelle de Nuestra Señora del Pilar est un espace indépendant au sein de la basilique, intégré à l'ensemble des nefs, mais avec sa propre échelle et sa propre conception. Elle a été construite entre 1750 et 1765 selon le projet de Ventura Rodríguez, qui a conçu un véritable écrin architectural pour mettre en valeur l'image de la Vierge. Les travaux ont été réalisés dans un style baroque classique, combinant des coupoles découpées, des entablements courbes, des brisures de gloire et une abondance de sculptures et de médaillons en marbre.

Bien que Ventura Rodríguez ait conçu la chapelle, il n'a visité le Pilar qu'à deux reprises et a donc délégué la direction des travaux à José Ramírez de Arellano, qui était également responsable des groupes sculpturaux à l'intérieur. La chapelle a été conçue comme un baldaquin à l'intérieur de l'église et se trouve sous la deuxième travée de la nef centrale.

Son plan a la forme d'une croix grecque aux sommets arrondis et est couvert par une coupole elliptique reposant sur un entablement quadrilobé ondulant. La coupole est percée d'ouvertures qui laissent entrer la lumière naturelle, créant un effet lumineux à l'intérieur. L'ensemble est décoré de sculptures en relief et sur pied, selon un programme qui cherche à mettre en valeur la niche de la Vierge, située légèrement à droite de l'axe central. La conception combine les influences de l'architecture du Bernin et de Borromini, du style byzantin, du rococo et des premiers éléments du néoclassicisme.