La présence de reliques de la Vierge à Orcival, arrivées de Pont-l'Abbé dès la fin du IXe siècle très probablement, a conduit à l'émergence d'un pèlerinage, dont l'importance grandissante au XIIIe siècle a contribué à la fondation d'un chapitre. L'architecture elle-même témoigne de cela : le plan choisi, avec crypte, déambulatoire et chapelles rayonnantes, est en effet adapté à une église de pèlerinage.
Il offre une facilité de circulation aux laïcs, avec possibilité d'approcher le sacré, c'est-à-dire les reliques, considérées à l'époque romane comme intermédiaires privilégiés entre Dieu et les hommes.
La fameuse Vierge en majesté vénérée pour son pouvoir thaumaturge attirait les pèlerins au même titre que les reliques. Notre-Dame d'Orcival était aussi parfois appelée Notre-Dame-des-Fers pour son intercession en faveur des détenus : des menottes et des chaînes à boulets sont suspendues comme ex-voto sur l'élévation du bras du transept sud, déposées par des prisonniers délivrés après avoir prié Notre-Dame d'Orcival. Une maquette de mirador conservée dans l'église indique que la Vierge d'Orcival a encore été invoquée par des déportés au cours de la seconde guerre mondiale.
Il est certain que l'origine de la procession est liée au pèlerinage, peut-être dès le haut moyen âge, mais sous des formes dont il ne reste rien. La statue de la Vierge a sûrement été, dès sa création, menée en procession.
Vierge et Enfant retrouvent une fois par an, pour l'Ascension, les couronnes qu'ils reçurent le 3 mai 1894, de même que leur robe de parade. Ils sont installés sous un dais, lui-même fixé sur un brancard. Les porteurs sont pieds nus en signe d'humilité.
Sont également portés, lors de la procession, l'ombellino et le bâton de procession à clochette, emblèmes des basiliques mineures, ainsi qu'une bannière des Anciens Combattants de la première guerre mondiale décorée de fourragères et de médailles militaires, et les bannières des paroisses liées par voeux à Notre-Dame d'Orcival (il y en avait plus de quarante au XVIIIe siècle).
La procession se termine sur un petit promontoire au-dessus du village, où un édicule de 1872, appelé "Tombeau de la Vierge", abrite une réplique de la statue et constitue une sorte de reposoir. Un chemin de croix de 1917 sert de cadre à la montée, renforçant l'aspect pénitentiel de la procession.
Depuis les années 1970, une procession de Gitans s'est créée, le jour de l'Ascension également, parallèlement à la procession traditionnelle de Notre-Dame d'Orcival.
