Είναι λιθόδμητη κατασκευή από μέλανα ασβεστόλιθο και έχει επικάλυψη με ολόλευκο μάρμαρο Δολιανών. Ο τρούλος είναι επικαλυμμένος με φύλλα χαλκού από την Αγγλία. Πλήθος μηχανικών και μαστόρων εργάστηκαν μέχρι την περάτωσή του. Ανάμεσά τους και τεχνίτες από την Τήνο. Το τέμπλο του ναού είναι μαρμάρινο και σχεδιάστηκε από τον Ερνέστο Τσίλερ. Η αγιογράφηση έγινε από τον Κωνσταντίνο Λώκη ενώ οι δεσποτικές εικόνες είναι έργο του Κωνσταντίνου Αρτέμη. Ο Άγιος Βασίλειος είναι εγγεγραμμένος σταυροειδής ναός με τρούλο με τρίπλευρη εξωτερικά αψίδα. Πρόκειται για περίτεχνο ναό με άφθονα αλλά αυστηρά διακοσμητικά στοιχεία.

Υπάρχει μια παράδοση σύμφωνα με την οποία ο ισόγειος χώρος του ναού είχε ξεκινήσει να χτίζεται προεπαναστατικά με σκοπό να χρησιμοποιηθεί ως τζαμί. Ο προσανατολισμός και το μέγεθος του ναού καθορίστηκαν από το τέμενος του Μπεκίρ Πασά που προϋπήρχε. Με γνώμονα το ναό χαράχτηκε αρχικά η περιβάλλουσα πλατεία και κατόπιν έγινε όλος ο ρυμοτομικός σχεδιασμός της Τρίπολης.