Część najstarsza Kaplicy, w której znajduje się Cudowny Obraz Matki Bożej Jasnogórskiej, to gotycka Kaplica, ufundowana pod koniec XIV wieku przez króla Władysława Jagiełłę. Środkowa część, mająca trójnawowy korpus, pochodzi z okresu baroku, a została ufundowana przez braci Łubieńskich. Jest ona trójnawowa z charakterystycznymi emporami, czyli jakby piętrowymi nawami, które w górnej części służyły zakonnikom w czasie modlitw. Trzecia część Kaplicy, zwana przybudówką, powstała w latach 20. minionego stulecia z istniejącego już wcześniej krużganka.
W najstarszej - gotyckiej części Kaplicy, w której mieści się Cudowny Obraz, umieszczony on był na mensie gotyckiego ołtarza jagiellońskiego. Obecna mensa ołtarza barokowego fundacji Jerzego Ossolińskiego okrywa tamten ołtarz. Dekorujące ją srebrne antepedium powstało na uroczystość koronacji Cudownego Obrazu w 1717 r. Gotycki charakter Kaplicy podkreślony jest przede wszystkim przez gotyckie sklepienie sieciowe. Ściany dekorowane są malowidłami pochodzącymi z początku XVII wieku. Malowidła o tematyce maryjnej, wyobrażające: Pokłon pasterzy, Pokłon Trzech Króli, Ucieczkę do Egiptu, Ofiarowanie w świątyni, Adorację Dzieciątka Jezus, pokrywają wnęki i rozglifienia okien i są niezależne od podziałów architektonicznych - występują na półfilary. Na sklepieniu w narożniku przęseł znajdują się postacie ośmiu aniołów, symbolizujące chóry anielskie, które - podobnie jak przy tronie Baranka Bożego - pełnią funkcję adoratorów wokół tronu Królowej Polski. Za autora dekoracji malarskiej uznano Tomasza Dolabellę. Artysta przybył z Wenecji w 1598 r. i do połowy XVII wieku pracował w Krakowie na dworze Wazów.
W 1641 r. Maciej Łubieński, biskup wrocławski i pomorski, późniejszy prymas, postanowił wypełnić wolę swego brata Stanisława, biskupa płockiego, wyrażoną odpowiednim zapisem w testamencie i również własnym kosztem poszerzyć i rozbudować Kaplicę Matki Bożej. Za pozwoleniem biskupa krakowskiego Jakuba Zadzika rozebrano dwa boczne ołtarze i 7 kwietnia 1641 r. prowincjał Paulinów - o. Paulin Kłodawski położył kamień węgielny pod budowę Kaplicy. Budowa kosztowała 40 tys. florenów. Rozebrano wówczas budynek klasztorny, o którym kronikarz powiada, że był mocny i solidny, lecz prosty. Dawne gotyckie prezbiterium (pierwsza Kaplica) zostało oddzielone od trójnawowej późnorenesansowej kaplicy żelazną kratą, wykonaną w Gdańsku. Krata zachowała się do dziś, z tym że została później nadbudowana. Druga część - zamykająca łuk arkady - została wykonana przez Stefana Szyllera po kradzieży koron i sukienki z Cudownego Obrazu w 1909 r.
Do barokowej części Kaplicy Matki Bożej prowadzą trzy portale z marmuru i alabastru. Analiza stylistyczna portali pozwala przypuszczać, że ich projektantem mógł być Giovanni Battista Gisleni, autor projektu nastawy ołtarza hebanowo-srebrnego. Świadczy o tym nie tylko zastosowanie motywu łuku tryumfalnego w portalu głównym i uszakowatych płycin w portalach bocznych, ale również obecność rzeźb spoczywających na łuku arkady. Występuje też urywany półokrągły naczółek w portalu głównym i ciężkie półokrągłe zakończenia w portalach bocznych. Pilastry są inkrustowane jaśniejszym marmurem. Są tu także, charakterystyczne dla włoskiego architekta, łezki w kształcie graniastosłupa oraz trzy łezki o nieregularnym, wydłużonym kształcie.
Kaplica fundacji braci Łubieńskich, zgodnie z tendencjami sztuki polskiej czasów późnego renesansu i manieryzmu, została pokryta przejrzystymi, listwowymi sztukateriami z motywami astragalu (głowic jońskich), jak również dekoracją tzw. typu lubelskiego. Dekoracja ta pokryła podziały architektoniczne wnętrza, nie zachowała się jednak do naszych czasów. Po pożarze Bazyliki w 1690 r. Kaplica wprawdzie ocalała, ale silnie okopciała i później otrzymała obecną dekorację sztukatorską i malarską wykonaną przez Karola Dankwarta.
W czasie rozbudowy Kaplicy w latach 40. XVII wieku Cudowny Obraz pozostawał w głównym ołtarzu Bazyliki Jasnogórskiej. Ten fakt odzwierciedla przekaz ikonograficzny, a mianowicie jeden z obrazów znajdujących się obecnie w Muzeum 600-lecia, przedstawiający tzw. Komunię Jagiellonów. Na tym obrazie ukazany jest ołtarz Bazyliki - ten sprzed pożaru w 1690 r. - manierystyczny, bogato złocony.
Prace nad dekoracją i wyposażeniem Kaplicy trwały kilka lat. Łubieński zrefundował pokrycie dachu Kaplicy miedzianą blachą, przekazując 2 tys. florenów, a przed wyjazdem z klasztoru, po uroczystościach przeniesienia Cudownego Obrazu do Kaplicy, obiecał dać pewną sumę pieniędzy, co też uczynił. Z czasów budowy Kaplicy fundacji braci Łubieńskich w rejestrze wpływów są zapisane dość znaczne kwoty, które zostały ofiarowane na jej rozbudowę. Wśród ofiarodawców wymienia się: krajczego koronnego Piotra Daniłowicza, marszałka nadwornego litewskiego Kazimierza Leona Sapiehę, wojewodę mazowieckiego Stanisława Warszyckiego, którego nagrobek z czarnego marmuru znajduje się w Kaplicy, marszałka nadwornego koronnego Adama Kazanowskiego, wojewodę krakowskiego Stanisława Lubomirskiego oraz króla Władysława IV Wazę i jego syna, królewicza Zygmunta Kazimierza. Na budowę Kaplicy napływały również dary rzeczowe. Władysław IV Waza i Maria Ludwika Gonzaga ofiarowali 340 łokci jedwabnego obicia. Stanisław Warszycki dał złotą lampę i wiele srebrnych elementów do jej dekoracji. Wojewoda lubelski Jan Tarło, wypełniając wolę zmarłej żony, przekazał do ozdoby Cudownego Obrazu namiot (baldachim). Ojciec Dionizy Łobżyński, paulin, w panegiryku Analecta elogiorum... informuje, że prymas Łubieński, równocześnie z renowacją Kaplicy, własnym kosztem odnowił gruntownie ołtarz Matki Bożej.
W miejscu dzisiejszej przybudówki, czyli w trzeciej części Kaplicy Matki Bożej, był pierwotnie piętrowy krużganek klasztorny, gdzie obowiązywała ścisła klauzura. Zakonnicy przechodzili tędy na modlitwy do chóru zakonnego, który znajdował się na piętrze, między Kaplicą Matki Bożej - tą drugą częścią - a Bazyliką. Do krużganka wchodziło się przez Salę Rycerską, która również była pomieszczeniem klauzurowym. Tamtędy intradziści przechodzili na lewą emporę Kaplicy, gdzie do dziś grane się fanfary. Znajdują się tam rokokowe stalle, które służą zakonnikom do odprawiania nabożeństwa zwanego "klęczkami", czyli Litanii Loretańskiej śpiewanej po łacinie. Przechodziło się również na prawą emporę Kaplicy, a stamtąd do chóru zakonnego, który został rozebrany w latach 50. XX wieku. Dziś w tym miejscu znajduje się Kaplica Adoracji Najświętszego Sakramentu.
Krużganek w środkowej części był otwarty, nie miał zadaszenia. Dopiero Adolf Szyszko-Bohusz nakrył całość sklepieniem i wprowadził tam sześć okien, które oświetlają wnętrze przybudówki. Dawniej do Kaplicy prowadziło z zewnątrz tylko jedno wejście. Obecne trzy portale i sama fasada zachodnia Kaplicy nakryta pseudorenesansową attyką to efekt prac restauratorskich Adolfa Szyszko-Bohusza. Należy jeszcze dodać, że ta część Kaplicy Matki Bożej miała być nakryta wysoką, neobarokową kopułą. W latach 90. XIX wieku architekt Stefan Szyller, który działał na Jasnej Górze, pragnął oświetlić i powiększyć Kaplicę. Zamierzał ją przedłużyć i wybudować kopułę, która doświetlałaby wnętrze. To miało być tam, gdzie dzisiaj jest tzw. przybudówka. Nie zrealizowano tych prac, ponieważ wszystkie fundusze zostały przeznaczone na odbudowę wieży po pożarze w 1900 r. Obecna przybudówka powstała w latach 1920-21. To była jedynie przebudowa, bo istniał już wcześniej wspomniany krużganek. Właściwie wzmocniono tylko ściany, nakryto je latarnią i przeszklono (dzisiaj znajdują się tam witraże). W ten sposób zmodyfikowano tę część Kaplicy.