Nhà thờ do Linh mục Boutary, người Pháp, đã gắn bó nhiều năm với đồng bào dân tộc và nhà thầu Nguyễn Thanh Hồ đứng ra xây dựng. Công trình được khởi công vào cuối năm 1959 và hoàn thành tám năm sau đó. Nhà thờ Cam Ly có một kiến trúc độc đáo theo lối nhà rông của đồng bào Tây Nguyên. Trong số gần 100 công trình kiến trúc công giáo xuất hiện ở Ðà Lạt từ thập niên 1920 đến thập niên 1960, nhà thờ Cam Ly được xây dựng riêng cho đồng bào các dân tộc thiểu số, vì thế nó mang sắc thái độc đáo khác hẳn với các giáo đường dành cho người Kinh.
Nhìn ngang, hai mái giáo đường giống như lưỡi rìu, dốc đứng 17m, được lợp bằng 80.000 viên ngói với tổng trọng lượng tương đương 90 tấn. Trước cổng chính nhà thờ là hai hình tượng hổ và phượng hoàng - những loài vật quen thuộc trong hiện thực và ý thức của đồng bào thiểu số. Hổ tượng trưng cho sức mạnh và phượng hoàng thể hiện cho sự tinh khôn. Cùng tư duy đó, nội thất thánh đường còn xuất hiện nhiều hình ảnh các loài vật khác thể hiện bản tính của chúng như: sự trong sáng của nai, sự gần gũi của chim và cá... Ðặc biệt, dưới chân thánh giá, bên cạnh cung thánh bằng gỗthông có treo ba đầu trâu theo thứ tự cao thấp. Trâu là linh vật mà người thiểu số ở Tây Nguyên thường dùng làm vật phẩm để "giao tiếp" với Yàng của họ, trong trường hợp này là kính dâng Thiên Chúa như một thông điệp biểu lộ lòng sùng kính.
Nối với những bức tường lửng có độ cao khoảng 3m được xây bằng đá chẻ là hệ thống cửa kính màu xanh - nâu - vàng trong các khung gỗ. Các khung cửa liền nhau và giáp mái này cùng với 20 vì kèo tương ứng đều được cách điệu từ hoa văn Tây Nguyên mà chủ đạo là hình vuông và hình tam giác - tượng trưng cho mặt trăng và mặt trời trong môtip bản địa về quan niệm vũ trụ. Ðối xứng phải trái là 16 bức tranh đá trong đó có 14 bức diễn tả các chặng thương khó của Chúa Jesus và ngày Ngài thọ nạn, phục sinh... Ở đây, cùng với nghệ thuật sắp đặt và giải pháp kiến trúc, các nhà tạo tác đã kết hợp hài hòa và thành công giữa tư duy mộc mạc, tự nhiên của đồng bào các dân tộc thiểu số với triết lý tôn giáo nhân bản và sâu sắc.
Kiến trúc nhà thờ được nghiên cứu cách điệu từ mái nhà rông cổ truyền cùa đồng bào dân tộc Tây Nguyên, và được thể hiện theo tinh thần của trường phái kiến trúc thô mộc; có sự kết hợp hài hòa giữa kiến trúc phương Tây và truyền thống của đồng bào dân tộc. Mặt bằng nhà thờ hình chữ nhật đơn giản, diện tích 324m2, trong đó 1/3 diện tích dành cho cung thánh, 2/3 còn lại là nơi dành cho tín đồ. Từ chính diện phía đầu hồi, mái nhà cao hơn 17m gợi tưởng hình mũi tên vút lên trời cao; phía mặt bên trông xa giống như hình lưỡi búa khổng lồ nằm vắt ngang trời; đó là hình ảnh các vũ khí thô sơ gắn liền với đời sống sinh hoạt của đồng bào dân tộc. Lối đi lại trong nhà thờ được lát đá chẻ. Cột cao 3m, kích thước mỗi cột 20x 50 cm, được liên kết chặt chẽ với kết cấu đỡ mái là hệ giàn kèo gỗ ghép vượt khẩu độ 12m trông rất ấn tượng. Để lợp mái nhà có độ dốc lớn như vậy, người thiết kế đã cho áp dụng 80.000 viên ngói phẳng mà gờ móc có đục lỗ để luồn dây kẽm buộc chặt vào litô. Trang trí bên trong nhà thờ thật hiệu quả nhờ cách xử lý không gian ánh sáng huyền ảo bằng các ô cửa sổ kính màu theo hình hoa văn dân tộc gồm các hình tam giác, hình vuông,... Trên cung thánh có một bàn thờ dài 3,9m, rộng 0,9m, được làm bằng gỗ thông già lấy từ đỉnh Lang Biang, đã hong khô hơn 15 năm trước khi đưa vào xây dựng nhà thờ. Dưới cây thánh giá, trên tường đá kiểu có gắn 3 cái sừng trâu. Ở tiền sảnh có hình hai con thú: con cọp tượng trưng cho sức mạnh; con chim phượng hoàng tượng trưng cho sự thông thái.
Tường được xây bằng đá xanh, thông trồng hai bên nên quanh năm nhà thờ mát lạnh kể cả những tháng hè khô hạn. Nhờ đó, dù là buổi trưa hay chiều, mùa đông hay mùa hè, bước vào nhà thờ bạn luôn có cảm giác mát lạnh. Đó là một trong những nét độc đáo đặc biệt về nhà thờ Cam Ly, nhà thờ dân tộc...
Điểm độc đáo nữa là những cửa sổ bằng kính mang từ nước ngoài vào Việt Nam... Trên nóc mặt chính nhà thờ, Chúa Ba Ngôi được thay bằng ba ngôi sao lớn phối bằng những tam giác kính màu. Tượng Chúa trên thập giá có ba đầu trâu từ lớn đến nhỏ sắp xếp phía dưới chân tượng trưng ba ngôi Thiên Chúa và cũng tượng trưng những lễ vật người dân tộc dùng tế lễ Yàng của họ.
Bên trong nhà thờ là những con thú biểu tượng tính cách của người dân tộc. Cọp biểu tượng sức mạnh; nai tượng trưng sự đơn sơ, giản dị; phượng hoàng biểu tượng lòng cao thượng; trâu vừa là bạn cày của người dân tộc vừa là lễ vật cúng tế Yàng... Tất cả nằm phần ngoài vách nhà thờ.
Tuy được xây dựng giữa thế kỷ 20 nhưng nhà thờ Cam Ly sở hữu những bức tượng cổ trên trăm năm. Một tượng bị đánh cắp vào thập niên 1970. Còn lại hai tượng: tượng Đức Mẹ bên trong nhà thờ được tạc tại Pháp từ thế kỷ 19 (năm 1875); bức tượng đen phía bên các nữ tu sinh sống cũng có số tuổi tương đương. Các bạn sẽ khám phá chính xác số tuổi khi đến tham quan nhà thờ với năm hoàn thành bức tượng được ghi phía dưới.