Dedicata a Nostra Signora la Beata Vergine - "Notre Dame" - la piccola cappella originale fu gestita all'inizio dai Gesuiti. Poi vennero i Padri Sulpiziani, che nel 1657 intrapresero la costruzione di una chiesa più grande. Il sulpiziano François Dollier de Casson fu il suo architetto, e l'attuale via Notre-Dame servì come sito originale. La sua costruzione, in stile barocco, fu completata tra il 1672 e il 1683. Nel 1800, la chiesa di Dollier era diventata troppo piccola, e la Fabrique decise di costruire la chiesa che conosciamo oggi. Per progettare la nuova chiesa, il consiglio di costruzione ingaggiò i servizi dell'architetto newyorkese James O'Donnell - lui stesso protestante irlandese di origine. O'Donnell e la Fabrique optarono per lo stile Gothic Revival allora in voga in Inghilterra e negli Stati Uniti. I principali lavori di costruzione ebbero luogo tra il 1824 e il 1829. O'Donnell non visse per vedere il suo lavoro completato. Morì a Montreal nel 1830. Poco prima della sua morte, si era convertito al cattolicesimo e fu sepolto nella cripta della nuova chiesa, dove la sua tomba è segnata da una lapide. La vecchia chiesa arretrata rispetto alla strada fu demolita nell'estate del 1830, tranne il suo campanile, che sopravvisse fino al 1843, quando le torri gemelle della Basilica di Notre-Dame furono completate dall'architetto John Ostell. La torre occidentale, soprannominata La Persévérance (Perseveranza) e terminata nel 1841, ospita la grande campana battezzata "Jean-Baptiste", che pesa 11 tonnellate (11.000 chilogrammi o 24.000 libbre). La torre orientale, soprannominata La Tempérance (Temperanza), fu completata nel 1843 e ospita un carillon di 10 campane. Nel 1889, il Curato Léon-Alfred Sentenne commissionò agli architetti Perreault e Mesnard la costruzione di una cappella che potesse ospitare cerimonie per piccole congregazioni, come matrimoni e funerali. Chiamata Cappella di Notre-Dame du Sacré-Cœur (Nostra Signora del Sacro Cuore) e consacrata l'8 dicembre 1891, data della festa dell'Immacolata Concezione, fu costruita in stile gotico-rinascimentale con una ricchezza di motivi scultorei. Purtroppo, un incendio danneggiò gravemente la cappella il 7 dicembre 1978. La ricostruzione fu intrapresa dallo studio di architettura Jodin, Lamarre, Pratte e Associati, il cui piano suggeriva di ricostruire i primi due livelli per essere identici alla cappella originale, con abili carpentieri, scultori e falegnami che usavano metodi tradizionali. La volta è stata costruita in uno stile moderno che permette l'illuminazione naturale. La nuova cappella fu inaugurata nel 1982. Stilisticamente, l'aspetto della chiesa all'interno nei suoi primi anni era molto diverso da quello attuale. Il muro alla fine del santuario era piatto ed era illuminato da una grande finestra, nel modo tradizionale delle chiese gotiche inglesi. Sei dipinti presi dalla vecchia chiesa erano appesi a questa parete. Per motivi economici, l'altare maggiore della vecchia chiesa fu spostato nel nuovo santuario. Questo altare si trova oggi sulla parete ovest della cappella laterale dedicata a Santa Margherita d'Youville. Nella navata, le colonne sono state dipinte per dare un'impressione realistica di marmo venato. Questo lavoro fu eseguito da un artista italiano di New York, Angelo Pienovi. Tra il 1870 e il 1900, la seconda fase della decorazione della chiesa fu opera del Curato Victor Rousselot e di Victor Bourgeau, l'architetto più attivo del Quebec di quell'epoca. Viaggiando in Francia, Rousselot era stato profondamente impressionato dallo stile e dal simbolismo della Sainte-Chapelle di Parigi, che propose come fonte di ispirazione per Bourgeau. I colori blu e oro scelti, le foglie dorate nella volta e sulle colonne ricordano particolarmente la Sainte-Chapelle. Questa decorazione policroma è costituita interamente da legno scolpito.
