Construite entre 1852 et 1859, la basilique est la première église catholique édifiée après la Réforme. Fortement encouragée par Pie IX, la construction est financée par des dons importants, tels ceux de Napoléon III, l’empereur François-Joseph ou encore le roi Victor-Emmanuel. L’église est l’oeuvre de l’architecte français A.-C. Grigny, auteur de plusieurs édifices dans la région d’Arras. A Genève, il conçoit cette église dans le style gothique du XIIIe siècle. Les travaux sont menés par l’architecte genevois J.-M. Gignoux. Le plan s’inspire, en le simplifiant, de celui de la cathédrale d’Amiens. Les vitraux de Notre-Dame voient le jour à travers plusieurs campagnes. Dès 1857, C. Lavergne, élève d’Ingres d’origine lyonnaise, réalise les vitraux du déambulatoire, des fenêtres basses et des deux roses du transept. Entre 1866 et 1871, la manufacture de vitraux peints Lobin et fils et la maison Martin, établies respectivement à Tours et à Avignon, créent les vitraux des collatéraux de la nef. Ces fenêtres représentent des saints choisis par les donateurs, identifiables par les armoiries figurées sur chaque vitrail. En 1913, l'abbé E. Dussellier fait appel à A. Cingria qui crée, jusqu'en 1918, les sept vitraux des fenêtres hautes du chœur. Ils annoncent le renouveau de l'art sacré en Suisse romande. M. Poncet exécute également deux vitraux sur la base de cartons de M. Denis et C. Brunner. Entre 1923 et 1925, J. et J. Falquet composent l’ensemble des peintures à l’intérieur de l’édifice. Entre 1930 et 1936 , les façades et la toiture sont restaurées, les arcs-boutants et les balustrades remplacés par des structures en béton armé et simili-pierre. A l’intérieur, le mobilier et les oeuvres d’art subissent aussi une réfection complète. En 1954, Notre-Dame est élevée au rang de basilique mineure. A cette occasion, le chanoine Blanche l'enrichit de vitraux contemporains de B. Gherri-Moro, P. Monnier et T. Stravinsky. En 1971, la basilique est classée monument historique par la Confédération. Entre 1978 et 1983, une restauration complète est menée par l’architecte J. Malnatti. A la fin de ces travaux en 1984, grâce au don d'un fidèle, les fenêtres hautes de la nef sont ornées de vitraux réalisés par J.-C. Morend. Les façades sont restaurées une nouvelle fois entre 2011 et 2013. Elles sont nettoyées et les pierres trop usées remplacées (BRULHART-DEUBER-PAULI (1985) 1993 / LAPAIRE 2000 / COURTIAU 2013)