La Basílica del Pilar destaca por su imponente volumen exterior, que ha ido creciendo a lo largo de los siglos, especialmente desde su etapa barroca, con la incorporación de cúpulas y torres. Actualmente cuenta con once cúpulas cubiertas de tejas vidriadas en tonos verdes, amarillos, azules y blancos. La cúpula principal se sitúa en el centro, donde se cruzan la nave y el tramo central de la iglesia, que consta de tres naves y siete tramos. A ambos lados se ubican dos cúpulas medianas, sobre la Santa Capilla y el Coro Mayor, acompañadas de cuatro cúpulas menores en los ángulos. Además, entre los contrafuertes hay capillas rematadas con linternas. Las torres, diseñadas en el siglo XX por el arquitecto Miguel Ángel Navarro Pérez, alcanzan los 98 metros de altura.

En 1944 se impulsó una colecta popular para reformar la fachada sur, que da a la plaza. El proyecto, ejecutado entre 1945 y 1950 por Teodoro Ríos, enmarcó las dos puertas laterales con pórticos de frontones triangulares sostenidos por columnas corintias. También se añadieron pilastras que rompían la uniformidad del muro y se creó un pórtico central, alineado con la cúpula mayor, que incluye un nicho con la escultura de la Venida de la Virgen, obra de Pablo Serrano en 1969. En los laterales se colocaron nichos con flameros y, en la parte superior, una gran cornisa moldurada y una balaustrada con estatuas de santos aragoneses, realizadas por Félix Burriel y Antonio Torres Clavero.

En la fachada oriental, junto a la puerta más cercana a la Santa Capilla, se conservó el tímpano románico, único vestigio visible de la antigua iglesia medieval. Además, en las fachadas norte y este aún se aprecian los impactos de las bombas lanzadas por las tropas francesas durante los asedios a Zaragoza en 1808 y 1809.