Né en 1951 sous l’influence de Mgr Théas, évêque de Tarbes et Lourdes, le projet initial était de construire un grand abri pour protéger les processions en cas d’intempéries. Rapidement, l’idée évolue, et c’est finalement le chantier d’une nouvelle église pour le sanctuaire qui démarre, le 18 mars 1956. Pour ne pas rompre avec la perspective du sanctuaire, tout en étant proche de la Grotte, il est décidé que l’ouvrage sera entièrement souterrain, donc invisible de l’extérieur. L’architecte Pierre Vago voit grand : son projet pourra accueillir 25 000 personnes. Le calendrier est serré, puisque tout doit être terminé pour le centenaire des apparitions (1958). En 1955, la consultation est lancée pour un ouvrage de 200 m de long par 80 m de large (elle en fera finalement 191 par 61, pour 10 m de haut), de forme ellipsoïdale, laquelle est dictée par la forme du terrain et par la symbolique d’  « ictus » et de la mandorle du Christ en Gloire, avec l’autel au centre, conformément au renouveau liturgique du moment, le tout dans une structure enterrée construite à partir d’une excavation à l’air libre. Ces données sont notamment soumises à l’ingénieur Eugène Freyssinet, l’inventeur du béton précontraint, qui va largement intégrer cette technique nouvelle dans le projet. En intégrant des câbles métalliques tendus dans les zones de traction, cette technique permet d’appliquer des charges élevées sur des ouvrages élancés, là où l’on aurait normalement d’énormes structures. Avec cette technique, et en s’appuyant sur deux de ses précédentes réalisations (le pont d’Esbly et les hangars pour dirigeables d’Orly), Freyssinet permet aux architectes de repousser les piliers sur les côtés, dégageant ainsi le maximum d’espace au centre, et de concevoir une voûte extra plate. L’entreprise Campenon-Bernard, sélectionnée pour le chantier en avril 1956 a deux obstacles majeurs à résoudre : d’abord le délai (2 ans) ; ensuite le problème de l’eau, puisque l’ouvrage est sous le niveau du Gave et dans un terrain fortement perméable. Remédier au premier n’est qu’une question d’organisation, mais pour le second, on décide d’une structure béton totalement étanche entourée d’un important réseau de drains. Longtemps, la basilique sera réputée in-inondable, avant que la crue de 2013 ne vienne le contredire. Le chantier lui-même va être protégé par un rideau de palplanches de 16 m de haut, sorte de barrage métallique provisoire courant le long du Gave. La basilique est finalement consacrée le 25 mars 1958 par le légat du pape, Mgr Roncalli, futur Jean XXIII, et reçoit le titre de « basilique mineure » six semaines après. La basilique est ornée d’une multitude de petits vitraux éclairés artificiellement, et de 48 tentures géantes représentant des saints ou bienheureux qui ont marqué l’Église.