Quần thể Nhà thờ đá Phát Diệm được xây dựng nhiều hạng mục khác nhau như: ao hồ, tượng đài, Phương Đình, Nhà thờ lớn, Nhà nguyện kinh thánh Rô Cô, Nhà nguyện kinh trái tim chúa, Nhà nguyện kinh thánh Giu-Se, Nhà nguyện kinh thánh Phê-Rô và các hang đá nhân tạo... Tất cả được bố trí trên một mặt bằng tổng thể hình chữ “Vương”, không gian đóng mở theo phong cách tạo cảnh phương Đông rất rõ nét, trước có hồ, sau có núi.
Nhà thờ được xây dựng trong gần 30 năm (1875 - 1899) với rất nhiều khó khăn do vào thời đó phương tiện làm việc còn thô sơ. Hàng ngàn tấn đá, có phiến nặng tới 20 tấn, hàng trăm cột gỗ lim có cây cột dài tới 12m, đường kính 2,4m, nặng tới 7 tấn... được vận chuyển từ Thanh Hoá, Nghệ An và nhiều nơi khác xa hàng trăm cây số về Phát Diệm.
Một trong những điểm nhấn, kiệt tác nghệ thuật của Nhà thờ phát Diệm là Phương Đình. Phương Đình có nghĩa là “Nhà vuông” thay vì vút cao trên bầu trời theo hình tháp vuông hoặc tròn thường thấy ở các thánh đường phương Tây, Phương Đình mang hình dáng của một ngôi đình làng rộng lớn, kích thước gần như vuông, chiều ngang 21m, sâu 17m, cao 25m.
Tầng trên của Phương Đình được dựng 5 khối tháp, trên đỉnh của 4 khối tháp ở 4 góc là tượng 4 vị thánh chép 4 sách Tin mừng được đặt giống như búp sen hay bình cam lộ thường thấy trên đỉnh của những mái đình, chùa cổ của làng quê Việt.
Phương Đình
Cùng với Phương Đình, Nhà thờ lớn trong quần thể Thánh đường Phát Diệm là một công trình kiến trúc vô cùng đặc sắc. Nhà thờ lớn được xây dựng vào năm 1891, chỉ trong vòng 3 tháng nhưng công việc chuẩn bị, sắm sửa vật liệu và trị chân móng đã kéo dài cả chục năm trước đó. Điểm chung trong kiến trúc nhà thờ Phát Diệm giống với nhà thờ ở Châu Âu đó là lòng Nhà thờ dài 74m, còn lại đều thiết kế theo kiểu cách của đạo Phật. Sự diễn cảm trong không gian thờ tự cũng sử dụng rất nhiều cách trình bày truyền thống.
Lòng nhà thờ được chia làm 10 gian sử dụng 9 bộ vì giá nghiêng-chồng giường với 6 hàng cột mang đậm chất kết cấu kiến trúc dân gian, với không gian rộng lớn trong kiến trúc nhà thờ ở phương Tây nhờ bề ngang (21m và tầm cao là 15m), thể hiện sự tài hoa của người thiết kế xây dựng. Hệ thống mái được phân thành 2 tầng, ngắt quãng bởi cửa sổ, vừa lấy ánh sáng vừa tạo độ vút cao cho mái.
Cuối nhà thờ, chái kiệu có cấu tạo là một khối sâu bằng đá hoa cương, phần xây cuốn vòm tạo thành 5 lối vào nhà thờ, mặt bằng và mặt đứng đều giật cấp với đỉnh cao ở lối chính giữa và thấp dần về hai bên. Phía trên tháp lợp ngói mũi hài, với đầu đao cong lượn thanh thoát, gợi lên sự phối hợp tinh tế của hai lối kiến trúc Đông Dương - Gotic. Một điểm nữa cần nhắc tới là những mảng sơn son thếp vàng trên đồ thờ bằng gỗ trong nhà thờ gợi lên một không gian thờ truyền thống của dân tộc Việt.
Trong hệ thống 5 nhà thờ nhỏ ở Phát Diệm có một ngôi được làm hoàn toàn bằng đá có tên là Trái Tim Đức Mẹ (hay còn gọi là Nhà thờ đá). Trái Tim Đức Mẹ được xây dựng đầu tiên vào năm 1883, có chiều dài 15,30m, rộng 8,50m, cao 6m. Nền, cột, xà, tường, chấn song, tháp, bàn thờ đều bằng đá, do đó người Phát Diệm quen gọi là Nhà thờ đá.
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, thủ đô 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.
Không chỉ là công trình có ý nghĩa lịch sử to lớn đáng tự hào của Việt Nam nói chung, người dân Ninh Bình nói riêng, Nhà thờ đá 120 năm tuổi này còn là một trong những điểm thu hút khách du lịch nhất trong năm 2018 (theo thống kê của Sở Du lịch Vă hóa và Thể Thao tỉnh Ninh Bình).