La documentación conservada en el Archivo Histórico de la actual Basílica nos permite conocer la distribución interior de este tercer templo. Ocupaba aproximadamente el mismo espacio que la nave central del actual. Su altar mayor estaba dedicado a la Virgen María y contaba con diversas capillas y altares laterales en donde se hallaban los enterramientos de algunas familias ilicitanas. En el lado de la Epístola –derecha de la nave conforme se mira al altar mayor- estaban las capillas de San Juan Evangelista, de los López de Vergara; del Santo Cristo, de los Sarrió; de San Antonio Abad, de los Gras; altar de San Jerónimo, de los Perpiñán; y la capilla de San Diego –que tenía funciones de capilla de la Comunión-, de los Quirant. En el lado del Evangelio –izquierdo al mirar al altar mayor-, las capillas eran las de San Mateo, con altar de dicho santo, de los Aracil, y de San Juan Bautista, de los Esclapez; capilla de San Martín, de los Fernández de Mesa; altar de la Concepción de María, de los Ruiz; capilla de San Pedro, de los Santacilia; y la cuarta capilla, junto a la base del campanario, de la familia Sarrió, que en la fecha del documento conservado (1602) no poseía altar. A ambos lados de la puerta Mayor de la iglesia se hallaban los altares de San Miguel Arcángel, de la familia Caro, y de San Pedro y San Pablo, de los Malla. La imagen de la Patrona de Elche poseía su propio altar, cuidado por la Cofradía de Nuestra Señora de la Asunción en la cercana ermita de San Sebastián, en la calle Mayor de la Villa, actual sede del Museo Municipal de la Festa. Fue trasladada a Santa María en 1648, con ocasión del aumento de la devoción popular hacia su figura, tras la epidemia de peste que castigó el Reino de Valencia aquel año. Venerada primeramente en una de las capillas laterales, en 1656 fue situada en el retablo del altar mayor en donde se improvisó una hornacina. Dado lo envejecido de dicho retablo y la mala situación de la imagen de la Patrona –«estava molt alta i en un forat», señala un documento de la época-, se procedió a la construcción de un nuevo retablo. Tras la correspondiente subasta pública realizada en 1671, fue tallado por el escultor Antonio Caro, llamado «el Viejo».
La escasa calidad de los materiales empleados en la construcción de esta iglesia, su realización en diversas etapas –«a empellones», califica el citado Ibarra y Ruiz-, y el uso que se hacía de su bóveda para la celebración anual de la Festa o Misterio de Elche, con la presencia de un orificio o «trapa per on baixa l’àngel», cerrado con tapas de madera, que ocasionaba inevitables filtraciones de agua de lluvia, propiciaron la degradación del edificio. En 1595, tan sólo veintinueve años tras su bendición, ya fue necesario construir un contrafuerte junto al campanario para reforzar su parte norte. Y a partir de la segunda mitad del siglo XVII son frecuentes las denuncias de la Junta parroquial por el mal estado de la iglesia que tenía afectados algunos elementos estructurales: un pilar cercano a la puerta de Resurrección, el arco próximo a la citada «trapa» de la bóveda, una pared contigua a la puerta Chica, etc. Aunque las obras de consolidación se sucedían, en 1666 se llamó al maestro Pedro Quintana para que dictaminase el estado del edificio y las reparaciones más urgentes. Quintana, en un inquietante informe, propuso el cierre preventivo de la iglesia y su inmediata reconstrucción. Pero la falta de recursos económicos hizo que la Fábrica efectuara únicamente las obras más indispensables, como la reparación del campanario en 1670. A causa de los fuertes aguaceros que cayeron sobre la ciudad en los primeros meses de 1672 el templo se vio seriamente afectado y se detectaron desprendimientos de sillares en su interior. Consultado el arquitecto de origen genovés Francisco Verde, que se hallaba en Elche para reconocer algunos edificios civiles deteriorados por los temporales, sugirió el cierre inmediato de la iglesia, de manera que los sermones de Cuaresma se trasladaron a la parroquia de San Salvador. El 30 de mayo del mismo año, mientras inspeccionaban el interior de Santa María el citado Verde y algunos miembros de la Junta parroquial, se produjo el derrumbe de la bóveda de la capilla del Santo Cristo, así como de otra cercana al altar mayor, viéndose la necesidad de una actuación urgente. A pesar de que la Junta parroquial, reunida en fechas posteriores, decidió emprender la reparación del templo, pronto se vio como mejor solución la construcción de otro de nueva planta.