Với sự kết hợp hài hòa giữa nghệ thuật châu Âu và Đông Á thể hiện sự giao hòa tinh túy giữa đạo Phật và Công giáo, lối kiến trúc này chỉ có duy nhất ở Việt Nam và hiếm gặp trên thế giới. Nhà thờ được xây dựng chủ yếu bằng đá và gỗ lim được mệnh danh là “kinh đô Công giáo Việt Nam”. Toàn bộ diện tích của khu nhà thờ đá rộng 30.000m². Trên nền có 11 công trình được xây cất, bố trí hợp lý, tạo thành một cảnh quan đẹp mắt, bao gồm nhà thờ lớn và 5 nhà thờ nhỏ (trong đó có một nhà thờ được xây dựng hoàn toàn bằng đá tự nhiên, được gọi là nhà thờ đá); phương đình (tháp chuông); ao hồ và 3 hang đá nhân tạo. Trải qua hơn 100 năm, các hạng mục vẫn còn gần như nguyên vẹn. Ngay trước khuôn viên nhà thờ là hồ nước hình chữ nhật có kè đá bao quanh. Giữa hồ có một hòn đảo nhỏ xanh mát bóng cây và bức tượng Chúa Giêsu bằng đá trắng dang hai tay, mắt nhìn thẳng phía trước.

Đi vào khu nhà thờ từ hướng Nam, sau hồ nước là một khoảng sân rộng rãi, thoáng đãng. Từ đây, du khách có thể quan sát tổng thể diện mạo của toà Phương Đình, công trình kiến trúc 3 tầng có chiều cao 25m, chiều dài 24m, và chiều rộng 17m. Ngay giữa tầng đầu đặt một sập đá xanh nguyên khối, bên trên là những bức điêu khắc chạm trổ hình ảnh Chúa Giêsu và các vị thánh với những đường nét thanh thoát. Mỗi vòm cửa là một công trình điêu khắc đá tinh xảo. Trên các bức tường là những phù điêu được sáng tác theo phong cách nghệ thuật dân gian Việt Nam mang tính gợi tả và cách điệu, những chấn song cửa sổ có hình lá trúc và cây trúc mềm mại, uyển chuyển. Chóp của Phương đình không cao vút kiểu ngọn tháp như những nhà thờ khác mà được uốn cong theo phong cách mái đình Việt Nam. Dù trên đỉnh có gắn thánh giá, song, nhìn bao quát, Phương đình vẫn mang dáng dấp tam quan chùa hơn là nóc nhà thờ Thiên Chúa giáo. Ngay cả các đường nét, tư thế ngồi hay nếp áo của bốn pho tượng Thánh Sử trên bốn đỉnh tháp cũng khiến du khách liên tưởng đến những tượng Phật trong các ngôi chùa. Trong khoảng sân giữa Phương đình và nhà thờ chính đặt các đài sen, đặc trưng của kiến trúc nhà Phật. Chiếc trống khá lớn treo trên tầng hai và quả chuông Nam nặng gần 2 tấn trên tầng 3 Phương đình cũng là những nét độc đáo. Mỗi khi gõ chuông bằng một cái chày lớn, tiếng chuông vang xa đến cả 3 tỉnh (Nam Định, Ninh Bình và Thanh Hóa) đều nghe thấy.

Điểm nhấn trong quần thể nhà thờ Phát Diệm chính là nhà thờ Trái tim Đức Mẹ, thường gọi là nhà thờ Đá, được xây dựng hoàn toàn bằng đá, từ nền, tường, chấn song, cột, xà, các bức phù điêu… Mặt tiền của nhà thờ gồm một toà Đức mẹ ở giữa với hai tháp hai bên, tháp kết cấu 5 tầng, có đường nét giống với tháp Bút ở hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội. Phía trong nhà thờ được làm bằng đá cẩm thạch với bố cục, đường nét thanh thoát, nhẹ nhàng, hai bên là những chấn song đá và những bức chạm thông phong. Trên bàn thờ chính là nhà tạm bằng gỗ chạm, sơn son, thếp vàng và tượng Đức mẹ bằng đá. Bên ngoài nhà thờ có những bức chạm thông phong hình chim Phượng hàm thư, quả là một kiệt tác, đã có du khách gọi nhà thờ này là “Viên ngọc” trong quần thể Thánh đường Phát Diệm.

Có thể nói, quần thể Thánh đường Phát Diệm là sự giao thoa, chính nhờ sự kết hợp hài hoà, tinh tế của lối kiến trúc nhà thờ phương Tây và kiến trúc truyền thống phương Đông, nhà thờ Phát Diệm đã trở thành điểm tham quan du lịch hấp dẫn của du khách trong nước và quốc tế, là điểm nhấn trong bức tranh toàn cảnh về di tích lịch sử, danh lam thắng cảnh của quê hương Ninh Bình.