Tổng thể công trình mang phong cách Gothic kết hợp Roman, pha chút Baroque ở những nét trang trí. Đến năm 1929, khu nhà thờ được tôn tạo, mở rộng phần giáo đường và xây dựng thêm một tòa tháp cao 52,6 m. Vào tháng 12/1976, nhân dịp kỷ niệm 100 năm, nhà thờ lại được trùng tu, tôn cao hơn nền cung thánh, sơn sửa lại tháp chuông. Màu sơn hồng và những đường nét hoa văn trang trí màu trắng làm cho toàn bộ công trình nổi bật trên nền trời xanh, tạo một vẻ lộng lẫy và tươi mới.
Nét đặc trưng phong cách kiến trúc Gothic kết hợp với phong cách Roman ở nhà thờ Tân Định
Nhìn từ phía mặt tiền, du khách có thể thấy tòa tháp chính và hai tháp phụ. Trên đỉnh tháp là chóp hình bát giác với cây thánh giá đồng cao 3 m. Trong tháp có 5 quả chuông, nặng tổng cộng 5,5 tấn. Hai bên tháp phụ có những tháp đèn, có nhiều lỗ thông gió và những hoa văn tạo vẻ vững chãi nhưng rất duyên dáng. Hai dãy hành lang có mái vòm, lợp ngói vảy cá, những ô cửa tròn với hoa lá trang trí, tượng thiên thần rất tinh xảo.
Thánh đường bên trong khá bề thế với hai hàng cột gothic, dẫn tới bàn thờ chính. Cùng với mặt tiền, hai hàng cột này được đánh giá là những nét đẹp nhất trong cả công trình kiến trúc. Hàng cột biên bên trái là tượng các thánh nữ, bên phải là các tượng thánh nam. Các bàn thờ trong thánh đường được làm từ đá quý đưa từ Italy sang.