El interior de la Basílica del Pilar se organiza en tres naves, siendo la central la más ancha, y siete tramos sostenidos por grandes pilares decorados con pilastras clasicistas. Sobre ellos se apoyan entablamentos que sostienen cúpulas sobre pechinas y bóvedas. En los muros laterales se distribuyen capillas cubiertas con cúpulas o bóvedas, y la decoración interior incluye guirnaldas y figuras de putti, obra del escultor Manuel Miguel Gálvez en 1871.

Siguiendo un recorrido en sentido horario desde la puerta baja, en el extremo este de la fachada sur, se encuentran las capillas de Santa Ana y San José, seguidas de la sacristía mayor, y luego las capillas de San Antonio y San Braulio hasta llegar a la puerta alta. En el tramo oeste, junto al coro, hay cuatro pequeñas capillas, entre las que destacan las del Ecce Homo y la de la Buena Esperanza. En la zona de los pies del templo están las capillas del Rosario y de San Agustín, entre las que se ubica la sala capitular.

En el lado norte, desde la puerta alta que da al Ebro, se encuentran las capillas de San Pedro Arbués, San Lorenzo, San Joaquín y la sacristía de la Virgen, dejando en el centro el Museo Pilarista. Frente a la Santa Capilla está el Coreto de la Virgen y, a los lados, las capillas de Santiago y San Juan, situadas junto a la puerta baja de la plaza, principal acceso de los visitantes.

El Museo Pilarista alberga una colección de objetos litúrgicos, coronas, joyas y más de 350 mantos de la Virgen. En el templo están enterrados varios arzobispos de Zaragoza, así como san Braulio y el general Palafox.

Un hecho destacado ocurrió el 3 de agosto de 1936, cuando un avión republicano lanzó cuatro bombas sobre Zaragoza. Una cayó en las calles de la ciudad, otra en la plaza del Pilar, una tercera perforó el techo del templo y la última impactó cerca del mural de Goya en el Coreto. Ninguna explotó y dos de ellas se conservan como recuerdo en la basílica. Aunque muchos lo interpretaron como un milagro, informes posteriores atribuyeron el fallo a defectos técnicos, sabotajes y al hecho de que las bombas fueron lanzadas a muy baja altura.

Por último, dentro de la basílica se pueden ver las banderas de España e Hispanoamérica, ya que la Virgen del Pilar es considerada patrona de la Hispanidad.