Mesurant 75 mètres de long du chœur à l’entrée de la nef pour 38 mètres de large d’un croisillon à l’autre, la basilique est l’un des plus grands lieux de culte bordelais. Caractéristique du style gothique flamboyant, elle présente un plan en croix latine à triple vaisseau. La nef, haute de 23 mètres, compte quatre travées et est entièrement couverte d’une voûte d’ogives oblongue, de même que les bas-côtés. Un large transept saillant sépare symboliquement la nef du chœur, formé de trois travées et qui reprend les dispositions de la nef. Trois absidioles polygonales ferment l’ensemble.
Les bas-côtés sont doublés d’une série de 17 chapelles latérales, chacune d’elle étant dédiée à une confrérie ou à une corporation. Nombre de ces chapelles conservent des œuvres d’arts. Ainsi, la chapelle Saint-Jacques, construite de 1470 à 1475, possède un retable en bois du xviie siècle. Celui-ci est orné en son centre d’un tableau représentant « l’apothéose de Saint-Jacques » (1632). La chapelle abrite par ailleurs le tombeau d’un jacquet, la chapelle étant dédiée au pèlerins en route vers Saint-Jacques-de-Compostelle. Plus loin, la chapelle de Ferron est ornée d’une composition sculptée reprenant le thème de la déposition de croix (1493)7. Une autre chapelle est dédiée à Sainte Catherine, patronne des mariniers.
Parmi les autres œuvres d’art que renferme la basilique, notons également une pie tà datée de la fin du xve siècle et une sculpture représentant Sainte Ursule abritant sous son manteau les vierges martyres de Cologne. Dans la nef, une chaire du xviiie siècle alliant bois d’acajou et panneaux de marbre est surmontée d’une statue de Saint Michel, patron de l’église.
De larges baies à remplage flamboyant éclairent la basilique. Les vitraux qui s’y trouvent datent pour l’essentiel des xvie siècle, xixe et xxe siècles. Parmi les plus anciens notons ainsi un « arbre de Jessé » où dominent les tons rouges, jaunes et bleus. Les vitraux du chœur, dus à l’artiste Max Ingrand, remplacent des verrières du xixe siècle détruites par les bombardements.
Plusieurs dalles numérotées ou gravées situées dans la nef témoignent de la coutume longtemps en vigueur consistant, pour les plus aisés, à se faire inhumer dans l’église. Cette pratique tombe peu à peu en désuétude au cours du xviiie siècle pour des raisons de salubrité publique.
Le clocher forme une structure indépendante du sanctuaire. Situé à plusieurs dizaines de mètres du portail principal, il est dû à l’architecte Jean Lebas. Cantonné de contreforts et de pinacles, il supporte une flèche ajourée édifiée de 1861 à 1869 par Paul Abadie. Haute de 114,60 mètres, elle est le plus haut clocher du midi de la France. Le clocher abrite un carillon de 22 cloches.