Kirche und Pfarrhof wirken nach außen wie ein einziger langgestreckter, 100 Meter langer Baukörper. Im Osten schließt die Kirche mit zwei Zwiebeltürmen ab; die auffällige, barocke Wandgliederung ist mit Schlacke inkrustiert.
Nach Art einer Basilika ist der Kirchenraum ein Saal mit vier Seitenkapellen. Den Innenraum der Kirche entwarf Carlo Antonio Carlone um 1682. Er lehnte seinen Entwurf eng an den der Klosterkirchen an, die sein Vater Pietro Francesco Carlone für Stift Garsten und Stift Schlierbach gestaltet hatte.
Der reiche Stuck der Tonnengewölbe stammt von Giovanni Battista Carlone. Antonio Maderni schuf die Fresken, die die freien Felder des Gewölbes ausfüllen; sie stellen Stationen des Marienlebens dar. An den Wänden des Chors und an seiner Decke finden sich Fresken von Johann Lederwasch (1794). Die Ausstattung mit Altären, Kanzel und Beichtstühlen ist weitgehend frühbarock. Martin Neuberg, Stiftstischler von 1671 bis 1714, schuf den dreigeschoßigen Hauptaltar. Die Schnitzfiguren sind Werke von Josef Stammel. Im Zentrum des Hochaltares steht die gotische Skulptur der Gottesmutter Maria mit Jesus im Arm. Sie ist das eigentliche Gnadenbild der Wallfahrtskirche. Als Assistenzfiguren fungieren die Skulpturen (Werke von Josef Stammel) der Eltern Mariens, Joachim und Anna. Der Hochaltar ist übersät mit Engelsdarstellungen und Putten, zu einem Großteil aus der Hand Josef Stammels. Bemerkenswert ist die barocke Kanzel an der Südseite des Presbyteriums, mit Darstellungen der vier Evangelisten. In den vier Seitenkapellen finden sich folgende Altäre (mit thematisch abgestimmten Fresken in den Gewölben): Kreuzaltar (bis 1786 der Gnadenaltar) mit einem Kreuzigungsbild von Johann Lederwasch, Benediktusaltar, Josefsaltar und Antoniusaltar mit Altarbildern von Frans de Neve.
Die Pilgermadonna stammt aus der Zeit um 1410 und wurde im 19. Jahrhundert neu gefasst. Sie ist die älteste Skulptur der Wallfahrtskirche und befindet sich seit der Innenrenovierung der Kirche wieder an ihrem ursprünglichen Platz, hinter dem Hochaltar. Das entspricht einer alten Tradition der Frauenberg-Wallfahrt, der zufolge die Pilger eingeladen werden, den Altar zu umrunden. Die originale Frauenberger Schutzmantelmadonna, entstanden um 1420/30, befindet sich im Landesmuseum Joanneum (Graz). In der Kerzenkapelle der Wallfahrtskirche ist eine Kopie aufgestellt. Von Michael Zürn d. J. stammen die Rokoko-Statuen der hll. Rosalia, Cäcilia, Barbara und Katharina. Die neobarocke Sessio im Altarraum stammt vom oberösterreichischen Künstler Ludwig Linzinger. Sie wurde 1908 für die Pfarrkirche Bad Zell geschaffen und 2018 in das Eigentum der Pfarrkirche Frauenberg übertragen.