La Basilica e gli ambienti attigui conservano preziose opere d’arte. Sopra l’arco che divide le due chiese, si può ammirare il grande dipinto di Giulio Carpioni del 1651, dono del collegio dei mercanti di Vicenza al Santuario. Esso raffigura allegoricamente la città di Vicenza ai piedi della Vergine.

Nella chiesetta gotica, a destra, sopra l’altare della Pietà, vi è il dipinto di Bartolomeo Montagna “La Pietà”; opera del 1505 commissionata dai Servi di Maria.

Nella sala un tempo destinata a refettorio, è esposta “La Cena” di Paolo Veronese del 1572. E’ una delle più importanti realizzazioni di questo artista. Nella stessa sala, a destra e a sinistra della porta d’ingresso si trovano le tele di Alessandro Maganza: la “Vergine tra i quattro evangelisti” del 1580 che in origine era posta sopra l’altare del coro e il “Battesimo di Cristo” eseguita nel 1591 per l’altare della Madonna degli Angeli.

Le statue e i bassorilievi esterni ed interni sono opera di Orazio Marinali e della sua scuola. Sono stati eseguiti tra la fine del “600 e l’inizio del “700. I tre bassorilievi, collocati sopra le porte di entrata al Santuario, sintetizzano la storia da cui ha origine il complesso: nella porta di oriente vi è la Vergine che appare a Vincenza Pasini, nell’accesso da nord Vincenza si rivolge alle autorità cittadine; nella terza entrata, da occidente, viene ricordata la posa della prima pietra della chiesa primitiva.

La maggior parte delle statue sono scolpite in pietra dei Berici, “biancone” di Pove e di Crespadoro.

Di particolare valore religioso è la “Statua della Madonna”, una scultura in pietra dei Berici colorata, posta sopra l’altare maggiore, nel luogo santificato dai piedi della Madonna, secondo la tradizione. La scultura fu eseguita nel 1428-30 da Nicolò da Venezia. La statua è definita iconograficamente quale Madre della Misericordia o Madonna del manto. Essa rappresenta infatti Maria come madre di tutti i figli di Dio che trovano protezione sotto il suo mantello.