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De forme octogonale et mesurant 260 sur 267 pieds, le plan final de la basilique Notre-Dame-du-Cap est surmonté d'une toiture pyramidale revêtue de cuivre et dominée d'une flèche culminant à 258 pieds de hauteur. Un portail monumental s'élève à l'ouest du temple alors que la sacristie est adossée au mur est. Un porche attaché à une rampe d'accès se trouve de chaque côté du portail, créant deux masses latérales qui équilibrent la lourde façade. Ces rampes aussi appelées "pentes douces", qui se retrouvaient dans le premier projet de l'architecte, facilitent l'accès à la basilique par les personnes malades ou à mobilité réduite. Les six autres murs pignons de l'octogone présentent une surface sans saillie percée de minces verrières en forme de mitre et d'une immense rose à motifs géométriques. Ces types d'ouvertures sont des reprises de l'architecture de Dom Bellot. Chaque arête de la basilique est ponctuée d'un portique d'accès.
Mgr Georges-Léon Pelletier, évêque du diocèse de Trois-Rivières, leva la première pelletée de terre le 5 août 1955. À partir de 1955, d'importants travaux d'infrastructure furent mis en œuvre pour supporter le poids de ce bâtiment colossal. À cet effet, 195 pieux de fondation ont été enfoncés à 90 pieds de profondeur pour aller reposer sur le roc solide. La construction dura 9 ans, soit de 1955 à 1964, et coûta six millions de dollars.
L'extérieur de la basilique Notre-Dame-du-Cap est revêtu de granit blanc de Saint-Gérard-de-Mégantic. Une statue de Notre-Dame-du-Cap, œuvre du sculpteur Paul Gingras et mesurant 24 pieds de hauteur, est appliquée sur le tympan du portail de l'église. La structure de la basilique est composée d'arcs en béton armé et l'expression de cette structure, invisible de l'extérieur, peut être appréciée de l'intérieur; elle est composée de hauts et gracieux arcs en béton reposant sur des piliers et se rejoignant au sommet par un système de triangulation mis au point par Dom Bellot. L'ensemble s'élance vertigineusement vers la coupole générant un vaste espace dépourvu de colonnes pouvant accueillir 1665 personnes assises. Cet intérieur très sculptural et géométrique est animé par les couleurs chatoyantes des immenses verrières et des couleurs appliquées sur les surfaces. Conformément à l'enseignement de Dom Paul Bellot, Adrien Dufresne manie ici habilement le jeu des couleurs et la diversité des matériaux et s'en sert comme principale source de décoration. Les marbres bleu, blanc et vert, les mosaïques bleu et or, ainsi que le béton peint ne figurent pas dans le répertoire du moine bénédictin et en serait une interprétation personnelle. Adrien Dufresne innova en les employant dans une savante composition visant à anoblir les lignes de la structure et à la rendre ainsi plus expressive.
