L’aspetto più importante della basilica, è sicuramente il suo importante ciclo d’affreschi. Realizzato da alcuni dei più importanti artisti emiliani del Seicento (Ludovico Carracci, Guercino, Luca Ferrari, Alessandro Tiarini),  ornano le volte, la cupola e l’abside, e si caratterizzano per il loro complesso significato iconologico. Gli affreschi, infatti, vogliono essere un’esaltazione della Vergine Maria, vista come garante della Sacra Alleanza tra Dio e gli uomini. La lettura stessa degli affreschi è alquanto complessa. Nello spazio accanto ai bracci della croce greca vi è una rappresentazione sintetica del tempo del mondo: il tempo pagano, simboleggiato dalle Sibille, il tempo dell’Antico Testamento, con i Profeti, il tempo del Nuovo Testamento con gli Evangelisti, e infine il tempo della Chiesa coi i Dottori della Chiesa.
Nelle volte dei bracci, invece, vi sono rappresentate dieci scene dell’Antico Testamento con protagoniste femminili, viste come precorritrici della stessa Vergine. Si tratta di Adamo ed Eva, Rebecca e Abramo, Rachele al pozzo, Giaele e Sisara, Abigail e Davide, Giuditta e Oloferne, Ester e Assuero, Deborah e Barac, Anna che offre il figlio Samuele al sacerdote Eli, Abisag e Davide.
La cupola, invece, è un’esaltazione esplicita della figura di Maria.
Gli affreschi sono accompagnati da motti in latino che spiegano le scene e i simboli, probabilmente scritti dal priore della basilica dell’epoca, padre Arcangelo Ballottini.