La Basílica de Nuestra Señora de Los Milagros es la única iglesia de la Villa que en sus orígenes no fue parroquia. Este templo formó parte del convento de los Agustinos levantado a mediados del siglo XVI. La guerra de la independencia española, la exclaustración y expulsión de los Agustinos en 1835 y la desamortización de Mendizábal de 1836 acabaron con el monasterio de los Agustinos. Milagrosamente la iglesia se mantuvo en pie. El 19 de abril de 1857 se trasladó a este templo la imagen de la Virgen de los Milagros desde la iglesia de Ntra. Sra. de Yanguas y con ella la parroquia.

La iglesia de proporciones catedralicias ofrece un espacio religioso único tanto para las celebraciones parroquiales como para las grandes festividades. Su imponente fachada está flanqueada por dos torres gemelas; en el centro se abre la portada de estilo herreriano, presidida por una escultura en alabastro de la Virgen de los Milagros. La planta del templo de cruz latina está rematada por una cabecera pentagonal cubierta con bóveda de crucería estrellada. Dos capillas laterales, la de San Pedro y la de la Virgen del Carmen, conforman su estructura.

El retablo mayor barroco centra la atención en el camarín donde está colocada la imagen tardorrománica de Ntra. Sra. de los Milagros, Patrona de Villa y Tierra de Ágreda. Retablos y signos litúrgicos, procedentes todos ellos de otras iglesias, están situados en el templo para acrecentar la fe y vivificar las celebraciones. Destacan los retablos góticos del siglo XV de San Lorenzo y San Vicente, de escuela castellana y aragonesa. Junto a la sacristía un retablo barroco procedente del extinto convento de los Padres Franciscanos cobija dos magnificas esculturas del taller de Pedro de Mena, San Francisco de Asís y San Pedro de Alcántara. La capilla del Carmen, decorada con relieves de estuco renacentistas que narran la vida de la Virgen, acoge al Santísimo; un lugar para el recogimiento y la oración. La capilla de San Pedro, presidida por una soberbia imagen barroca de San Pedro “en cátedra”, es el espacio de la reconciliación y el nacimiento a la vida cristiana. En ella está dispuesta la pila bautismal de estilo románico en la que fue bautizada sor María de Jesús de Ágreda.

El Santuario de Nuestra Señora de Los Milagros tiene concedido el título de Basílica menor. Desde 1932 está agregado a la Basílica de San Juan de Letrán de Roma.