Quần thể nhà thờ Phát Diệm gồm Phương đình, nhà thờ lớn và 4 nhà thờ nhỏ, trong đó có Nhà thờ Đức Mẹ xây dựng hoàn toàn bằng đá.
Phương Đình thực chất là một tháp chuông cao 25m được xây dựng bằng đá phiến nhưng mang dáng dấp của một Tam quan trong kiến trúc Việt cổ truyền. Mái ngói, phần đua ra được đỡ bằng hệ con sơn gỗ, các góc mái uốn cong tạo thành đầu đao mang hình thức mái thuần Việt. Trên các đỉnh tháp nhỏ có 4 pho tượng thánh nhưng từ tư thế đến đường nét đều mang dáng dấp các pho tượng trong đền chùa cổ Việt Nam.
Nhà thờ lớn có mặt bằng hình chữ nhật dài 74m gồm 10 gian được chia thành ba phần: Sảnh đón tiếp, không gian dành cho giáo dân hành lễ và Cung thánh là nơi cử hành các thánh lễ. Mái hai lớp theo dạng mái chồng diêm dựa trên các bộ vì chồng rường – giá chiêng đỡ mái với 9 hàng cột gỗ lim rất gần với cấu trúc đình chùa Việt. Nội thất nhà thờ mang đậm chất kiến trúc Việt cổ truyền với khu vực Cung thánh sơn son thiếp vàng, bàn thờ được làm bằng một phiến đá nguyên khối được chạm trổ các motif hoa lá truyền thống tượng trưng cho bốn mùa.
Nhà thờ Đức Mẹ được xây dựng hoàn toàn bằng đá có kích thước 15,3×8,5×6m nên thường được gọi là Nhà thờ đá. Mặt chính của nhà thờ gồm một tòa Đức Mẹ ở giữa với trọng tâm là bức phù điêu hình trái tim bị đâm xuyên qua cùng các họa tiết theo kiểu truyền thống được chạm trổ tinh vi, hai tháp ở hai bên có đường nét giống với Tháp Bút ở Hồ Gươm Hà Nội. Nội thất được cấu trúc bằng đá cẩm thạch có bố cục nhẹ nhàng, thanh thoát với những bức chạm hình hoa sen, Mai – Trúc – Cúc – Tùng… hội tụ tinh hoa nghệ thuật chạm khắc đá Việt Nam.
Quần thể Nhà thờ đá Phát Diệm có thể coi là nhà thờ độc đáo bậc nhất ở Việt Nam khi đưa các hình ảnh của kiến trúc đình chùa truyền thống thuần Việt vào một công trình Thiên chúa giáo có nguồn gốc phương Tây, là biểu tượng của sự gặp gỡ giữa Công giáo và tín ngưỡng truyền thống của người Việt Nam, sự giao thoa văn hóa Việt – Pháp.
