Thực ra, nhà thờ lớn không lớn lắm so với các thánh đường của các nước lớn, nhưng nó là một trong những thánh đường đẹp nhất thuộc địa của Pháp lúc này. Không gian bên trong rộng rãi gồm có chính điện và 2 gian phụ, dài 93 m, rộng 35 m, các chái ngang, hậu cung hình tròn bố trí lâu đài, năm gian nhà nguyện và hành lang xung quanh.
Bức tường đá xanh Bien Hoa nu de Marseille đỏ rực thay rêu phong. Mái ngói đỏ cũng được mang từ Marseille về và sau này được thay bằng ngói Phú Hữu có chất lượng tương đương ngói Pháp. Khung kính màu của thương hiệu Lorin nổi tiếng của Sutter phát ra ánh sáng tự nhiên. Do bố trí các lỗ thông gió bên trên và bên dưới cửa sổ nên công trình luôn thông thoáng, không bị khép kín kiểu Pháp.
Tháp chuông thuở ban đầu không có đỉnh nhọn, đến năm 1894 mới được bổ sung theo kế hoạch. Tháp đồng hồ do kiến trúc sư Gardes (tên tác giả thiết kế Dinh Xã Tây của Ủy ban bình dân đô thị ngày nay) cao 57 m, rất dài ở vị trí cao nhất trung tâm thành phố (trên 10 m so với mực nước biển). Vì vậy, những du khách từ Sài Gòn lúc bấy giờ chủ yếu đi thuyền bằng đường biển lần đầu tiên được chiêm ngưỡng quả chuông của nhà thờ này. Hệ thống chuông đơn nặng 28.850 kg. Bên trong, đặc biệt chú ý đến dòng chữ nho khô ở lối vào để tôn vinh “Đức Mẹ Vô nhiễm Nguyên tội”, cũng như cửa sổ kính màu khắc các đặc điểm Việt Nam và các loài hoa phương Đông. Trên quảng trường trước nhà thờ là bức tượng Đức mẹ đồng trinh màu trắng tinh khiết, tượng trưng cho hòa bình.
Nằm trên một nền đất vững chắc, nhưng do thiếu nghiên cứu cơ bản sâu rộng, người dân phải di tản vào năm 1885 để ủng hộ hòa bình. Nền móng như một nền gạch cũ không chịu nổi công việc trên. Nhà thờ này được coi như một công trình văn hóa tâm linh với lối kiến trúc cộng sinh Đông Tây nguyên thủy. Kiến trúc sư đã quản lý để tổ chức bố cục một cách chính xác và sử dụng các cấu trúc hiện đại của phương Tây, quan trọng nhất là nghiên cứu điều kiện khí hậu nhiệt đới của địa phương. Nội thất của kính màu được trang trí với một số lượng lớn các hình ảnh phương Đông, cho thấy ý định tích hợp các công trình kiến trúc cơ bản của văn hóa phương Tây vào phong cách phương Đông trước.