Il monumento più antico e importante all'interno del Santuario di Fatima, la Cappella delle Apparizioni è il luogo in cui i tre pastorelli ebbero una visione di Madre Maria. Costruita nel 1982, la cappella presenta un altare, un portico rivestito in legno di pino e una statua della Madonna del Rosario con una corona d'oro protetta da un vetro antiproiettile.

Costruita nel 1928, la Basilica di Nostra Signora del Rosario era originariamente una chiesa e si ritiene che sia il punto esatto in cui i tre pastori videro un fulmine nel 1917. Questa basilica lunga 70,5 metri è realizzata in pietra calcarea bianca e presenta un campanile alto 65 metri, la struttura più alta all'interno del santuario, oltre alle tombe dei fratelli Francisco e Jacinta Marto.

Inaugurata nell'ottobre 2007 in occasione del 90° anniversario delle Apparizioni di Fatima, la Basilica della Santissima Trinità è stata costruita per accogliere un gran numero di pellegrini e devoti. Progettata dall'architetto greco Alexandros Tombasiz, questa basilica è circolare e alta 35 metri. È conosciuta come la Basilica minore del santuario.

La struttura classica del Colonnato del Santuario di Fatima presenta 200 colonne e semicolonne ispirate al famoso colonnato curvo di Piazza San Pietro. Sopra il colonnato ci sono le figure di 17 santi. La galleria presenta anche una Via Crucis con 14 pannelli della Passione di Gesù Cristo in ceramica policroma.

La Basilica della Santissima Trinità è circondata da due piazze, una delle quali è chiamata Piazza Giovanni Paolo II, all'interno della quale si trovano l'Alta Croce e la statua del Papa. L'artista polacco Czeslaw Dzwigaj ha disegnato la statua di bronzo e ha creato altre 50 sculture e monumenti per rendere omaggio a Giovanni Paolo II.

Offerto al santuario da un anonimo pellegrino negli anni '30, il Monumento del Sacro Cuore di Gesù è una statua in bronzo dorato di Gesù. Presenta una colonna che si credeva contenesse acqua in grado di fare miracoli. La posizione di questa struttura idraulica corrisponde alla "centralità di Gesù Cristo" nel Messaggio di Fatima.

Fondato da D. Jose Alves Correia da Silva nel 1955, il Museo del Santuario di Fatima è stato costruito per conservare ed esporre le reliquie associate alle apparizioni di Fatima. Il museo, ad oggi, ospita due mostre permanenti, la Luce e la Pace di Fatima e la Casa Museo di Aljustrel.

Il santuario ospita un blocco del famoso Muro di Berlino. L'ampio blocco è vicino a uno degli ingressi del Santuario di Fatima. Conosciuto anche come Cortina di Ferro, questo frammento del Muro di Berlino fu offerto al santuario da un emigrante portoghese residente in Germania e da allora occupa un posto d'onore all'interno del complesso.

L'unico albero della Cova da Iria ad essere sopravvissuto fino ad oggi, il Grande Leccio è alto 13,5 m e ha più di un secolo. Si ritiene che i tre pastori abbiano visto il fulmine per la seconda volta qui nel 1917. Il Direttore generale delle risorse forestali del Portogallo ha classificato il leccio grande come un esempio di interesse pubblico nel 2007.