De R.K.O.L.-Vrouwebasiliek (O.L.-Vrouweplein 9) is een grotendeels in kolenzandsteen opgetrokken driebeukige, basilicale kruiskerk voorzien van een rond gesloten kooromgang met galerij. Het koor wordt geflankeerd door twee gedrongen torens voorzien van een stenen spits met frontalen en twee rond gesloten zijkapellen van het transept. Verder heeft de kerk twee pseudotransepten en een zeer hoog en massief westwerk tussen twee ronde traptorens met spits.
Op of nabij de plaats van de huidige kerk, die vanaf het begin van de 11de eeuw tot stand is gekomen, moet een oudere kerk hebben gestaan, die als bisschopskerk heeft gediend. De eerste vermelding van de kerk dateert uit de 9de eeuw. Vanaf de 11de eeuw tot 1797 was aan de O.L.-Vrouwekerk een kapittel verbonden. Bij de zeer ingrijpende restauratie in 1887-1917, onder leiding van P.J.H. Cuypers en zijn zoon J.Th.J. Cuypers, zijn vrijwel alle laat-gotische en renaissance-wijzigingen aan het gebouw verwijderd en zijn enkele verdwenen romaanse delen gereconstrueerd. De middeleeuwse bekappingen heeft men in 1965-'66 grotendeels vernieuwd.
Het westwerk met crypt en westkoor dateert in aanleg vermoedelijk uit het begin van de 11de eeuw. De versnijding halverwege het zeer gesloten muurwerk toont dat de onderbouw in een tweede fase is verhoogd, waarschijnlijk in de 12de eeuw. In de hoeken van het opgaand werk zijn enkele hergebruikte Romeinse natuursteenblokken ingemetseld. De in mergel uitgevoerde, laatromaanse bovenbouw van het middenblok, met spaarvelden en gekoppelde zuiltjes, dateert van een verbouwing eind 12de eeuw. Zo ook de bovenbouw van de traptorens, bestaande uit vier lage, steeds verder opengewerkte geledingen. Het westkoor, dat vanwege het onderliggende crypte hoger ligt dan de kerkvloer, is met drie bogen op pijlers naar het schip geopend. Dat gold ook voor de ruimte erboven, maar daar zijn de bogen later dichtgemetseld. De vanaf dat vloerniveau tot in de bovenbouw doorgaande ruimte bevat een twintig meter hoge klokkenstoel uit circa 1350 (d).
Van de 11de-eeuwse kerk die oorspronkelijk op het westwerk aansloot, resteren na verbouwingen nog slechts kleine gedeelten bij het transept en de oostpartij. Het huidige romaanse schip met twee pseudotransepten kwam in de tweede helft van de 12de eeuw tot stand. De gevelgeleding en detaillering zijn bij de 19de-eeuwse restauratie in belangrijke mate gereconstrueerd. Het aan het westwerk grenzende smalle pseudotransept bevat inwendig een naar het middenschip geopende galerij of tribune. Vermoedelijk na een brand heeft men kort na 1325 het middenschip verhoogd met een gevelzone met ronde vensters. Het transept werd in de tweede helft van de 12de eeuw vernieuwd en vergroot. De absidiolen van de transeptkapellen zijn herbouwd bij de 19de-eeuwse restauratie. Bij de verbouw of het herstel na 1325 is de oorspronkelijke lage vieringtoren gesloopt.
De vloer van viering en koor ligt hoger in verband met het onderliggende, uit twee delen bestaande, crypt. Het westelijke, vierbeukige gedeelte is midden-12de-eeuws en heeft ribloze mergelstenen kruisgewelven en middenzuilen voorzien van teerlingkapitelen met eenvoudige lijnpatronen. Uit die tijd zijn ook de in het crypt aanwezige restanten van twee koortorens. Deze werden echter vervangen door de huidige, verder uiteen staande, koortorens bij een planwijziging in het derde kwart van de 12de eeuw, toen het oostelijke deel van het crypt werd gerealiseerd als een halfronde ruimte met omgang. Het bovenliggende koor met omgang kwam waarschijnlijk in het derde kwart van de 12de eeuw tot stand. De galerij boven de omgang werd waarschijnlijk in een tweede fase rond 1220 gerealiseerd. Het koor heeft de kap van het herstelwerk rond 1325 behouden. De kap boven de kooromgang dateert uit circa 1436 (d). Bij de restauratie van Cuypers heeft de apsis een nieuwe fundering en een nieuwe beklamping met kolenzandsteen gekregen. De oorspronkelijke gevelgeleding met spaarvelden voorzien van rondbogen en colonetten met kapitelen werd daarbij gereconstrueerd. De twee oorspronkelijk laat-12de-eeuwse koortorens zijn toen vernieuwd en deels gereconstrueerd.
Het interieur wordt gedekt door diverse gewelftypen. Uit de 12de eeuw dateren de ribloze kruisgewelven van het westkoor en het smalle pseudotransept evenals de tongewelven van het brede pseudotransept en de halve koepelgewelven van de zijbeuktraveeën en de koorapsis. De kruisgewelven van de kooromgang en de bovenliggende galerij zijn bij de 19de-eeuwse restauratie vrijwel geheel vernieuwd. Tot een laat-15de-eeuwse vernieuwing behoren de kruisgewelven van het transept en het stergewelf van de viering. Het middenschip kreeg begin 18de eeuw de huidige bakstenen stergewelven met mergelstenen ribben. De zuilen van omgang en galerij zijn opgebouwd met afwisselend blokken zwarte kalksteen en grijze mergel. Bij de 19de-eeuwse restauratie zijn ze echter zwart geverfd. Aan weerszijden van de middelste travee van de koorsluiting zijn de ondersteuningen van de bogen uitgevoerd als een bundeling van kleinere zuiltjes, waarvan de tussenkapitelen zijn voorzien van een dekplaat met inscripties. De later vergulde, rijk gebeeldhouwde kapitelen zijn versierd met voorstellingen uit het Oude Testament, uit de Bestiaria en verder met voorstellingen van deugd en ondeugd, fabeldieren en grillig rankwerk. De bovengalerij heeft eenvoudiger kapitelen met acanthusbladversiering.
Van de oude schilderingen resten alleen voorstellingen van St. Catharina van Alexandrië (eerste helft 15de eeuw) en van St. Christoffel (1571) op twee schippijlers. Tot de rijke kerkinventaris behoren onder meer enkele (nieuw gepolychromeerde) laat-gotische beelden, een door meester Aert van Tricht gegoten koperen doopvont (circa 1500), een rijk gesneden Lodewijk XIV-preekstoel (1721), een verguld hoofdaltaar en vijf biechtstoelen (alle tweede helft 18de eeuw) en een communiebank (eerste kwart 19de eeuw). Van het door A. Séverin gebouwde orgel uit 1652 resteert de orgelkast met geschilderde vleugels (kast rugwerk uit 1984). Het instrument is in de 19e eeuw ingrijpend verbouwd en in 1963 en 1984 gerestaureerd. De schatkamer bezit een rijke collectie religieuze voorwerpen (11de-18de eeuw). Van de laat-19de-eeuwse, neoromaanse inrichting resteren twee altaartombes en het Anthoniusaltaar. In 1983 heeft men de bij de Cuypers-restauratie aangebrachte schilderingen in (oost)crypt, kooromgang, transept en schip deels overgeschilderd. De halve koepel in het koor heeft nog wel een grote schildering van een triomferende Christus in mandorla, omringd door heiligen en engelen.
Aan de noordoostzijde van de kerk bevinden zich de sacristie, in feite de in oorsprong 12de-eeuwse kapittelzaal, en de kleine 13de-eeuwse St.-Annakapel in gotische vormen. Beide bouwdelen zijn bij de 19de-eeuwse restauratie vrijwel geheel herbouwd. Het ingangsportaal naast het westwerk kwam begin 13de eeuw tot stand, maar is in de 15de eeuw verbouwd en voorzien van een nieuwe gevel. Het bovengedeelte daarvan is bij de Cuypers-restauratie geheel herbouwd. Toen zijn ook van elders uit de kerk enkele romaanse mergelstenen reliëfs (late 12de eeuw) naar dit bouwdeel verplaatst. Het betreft een voorstelling van de zegevierende Christus, een voorstelling genaamd de ‘Eed op de relieken’ (afkomstig van een rechtstribune tegen de koorapsis) en een reliëf met heilige bisschop (circa 1200). Verder is er een 12de-eeuwse latei met de afbeelding van een engel. In het verlengde van het ingangsportaal en gekoppeld aan het begin van de westvleugel van de pandhof ligt de 15de-eeuwse kapel van O.L. Vrouwe Sterre der Zee, genoemd naar het hier opgestelde Mariabeeld (circa 1420).
De kloostergang aan de noordzijde van de kerk kwam midden 16de eeuw tot stand, waarschijnlijk ter plaatse van een oudere pandhof, en is bij de 19de-eeuwse restauratie in gotische vorm hersteld. De met kruisribgewelven overdekte kruisgang vertoont rijke laat-gotische vormen. Tot circa twee meter hoogte is dit bouwdeel in hardsteen opgetrokken, de rest in mergel. Opmerkelijke zijn de venstertraceringen (1558-'59), die versierd zijn met verschillende emblemen, zoals de ‘perroen’ - het teken van de Luikse rechtsmacht - en de wapens van koning Philips II en bisschop Robert van Bergen, de ster van de stad Maastricht en de Oostenrijkse adelaar. In kerk en kruisgang bevinden zich enkele oude gedenkstenen en veel oude grafzerken (13de-18de eeuw).
