 El Real Santuario, construido en estilo neo-románico, contiene elementos artísticos de gran interés. El edificio de planta basilical, con nave central, entre dos falsas naves laterales con contrafuertes, está bellamente decorado en su interior, contrastando con la sobriedad exterior. La puerta de acceso, con arquerías superpuestas abocinadas, esta sustentada por dos columnas con capiteles esculpidos con motivos vegetales. Sobre la puerta, destacan tres vidrieras con la imagen de la titular, acompañada por las históricas devociones locales y un rosetón con el símbolo mariano. Junto a la fachada se alza el esbelto campanario, de tres cuerpos, rematado por cubierta de cobre, en el que se localizan las cuatro campanas.
 El interior de la iglesia, decorado en estilo neo-barroco, fue pintado en 1990 por Francisco Goig del Poyo. Presidiendo el presbiterio se halla el esbelto camarín de mármoles y madera tallada sobredorada, a modo de baldaquino barroco, del escultor valenciano Elías Cuñat, donde se guarda la imagen de Nuestra Señora del Lluch, obra de Antonio Ballester (premio nacional de escultura).
Además de la bella imagen de la titular, son destacables los lienzos de San Antonio Abad de la Escuela de Jerónimo Jacinto de Espinosa (s. XVIII), el de la antigua imagen de la Virgen del Lluch, de Vicente Palau (s. XIX) y el de la Apoteosis de San Agustín, obra del alzireño Mariano López Ibáñez, afincado en Benicássim (Castellón), del año 1991. En las capillas de las naves laterales están ubicados los siete relieves sobre la vida de la Virgen María, modelados por Joaquín Gómez Perelló (maestro de artesanos): La Anunciación, La Maternidad en Belén, la huida a Egipto, las Bodas de Caná, al Pie de la Cruz, Pentecostés y la Asunción. En el crucero se alzan el antiguo camarín de la Virgen, donde se venera desde 1985, la imagen de San Nicolás de Bari y el retablo de los Santos Mártires Bernardo, María y Gracia, con una oleografía del año 1935. Son igualmente destacables, las vidrieras del año 1975, representando elementos marianos propios y a los titulares de las seis parroquias alzireñas, obra de López y Aparisi; orfebrería como los sagrarios, custodia, vasos sagrados, coronas, andas y estandarte de plata de la Real Cofradía; cerámica procedente del antiguo ermitorio y el retablo del promesario, obra de Gimeno; los interesantes bordados de los dieciséis mantos, tres estandartes, manteles y ornamentos litúrgicos, entre otros.
En la capilla del Sagrario, se muestra la talla del Ecce-Homo (año 1941), obra del escultor Valerio, junto a la imagen de San Bernardo mártir.
En la vitrina relicario, se expone la rica custodia del Santísimo y se venera el Lignum Crucis, la reliquia de San Bernardo mártir (patrón de Alzira junto con Nuestra Señora del Lluch) y una réplica del Santo Cáliz de la Catedral, donada por el Arzobispo de Valencia, Cardenal García-Gasco.
La Mesa-Altar fue consagrada en 1976 con reliquias de San Bernardo mártir y Santo Tomás de Villanueva. |