Hoàng Trần Nhà thờ được thiết kế theo phong cách kiến trúc Gothic trung cổ châu Âu, rất thịnh hành trong thế kỷ 12, dựa theo mẫu của Nhà thờ Đức Bà Paris với những mái vòm cuốn nhọn, hướng lên bầu trời. Vật liệu xây dựng chính của nhà thờ là gạch đất nung, tường trát bằng giấy bổi. Nhà thờ có chiều dài 64,5m, chiều rộng 20,5m và hai tháp chuông cao 31,5m với những trụ đá to nặng bốn góc. Trên đỉnh là cây thánh giá bằng đá.
Phía sảnh trong nhà thờ, có một cửa đi lớn, hai cửa nhỏ hai bên tháp. Các cửa đi và toàn bộ các cửa sổ đều cuốn nhọn theo nghệ thuật Gothique, kết hợp với các cửa cuốn nhọn là những bức tranh Thánh bằng kính màu rất đẹp và hài hòa tạo ra nguồn ánh sáng tự nhiên bên trong lòng nhà thờ. Kiến trúc Gothic của công trình cũng có sự kết hợp với kiến trúc bản địa, thể hiện ở hệ thống mái ngói đất nung bên ngoài và hệ thống chạm trổ nội thất. Khu cung thánh và các ban thờ được trang trí theo nghệ thuật dân gian truyền thống, chạm trổ hoa văn bằng gỗ sơn son thiếp vàng rất tinh vi độc đáo. Ở tòa gian chính có tượng thánh Giuse bằng đất nung cao hơn 2m.
Nhà thờ còn có một bộ chuông Tây, gồm bốn quả chuông nhỏ và một quả chuông boòng lớn, trị giá 20.000 franc Pháp thời đó. Đặc biệt là chiếc đồng hồ lớn gắn giữa mặt tiền nhà thờ. Đồng hồ có báo khắc, báo giờ, hệ thống chuông báo được liên kết với 5 quả chuông treo trên hai tháp.
Trung tâm quảng trường phía trước nhà thờ có đài Đức Mẹ bằng kim loại, xung quanh nhà thờ có đường kiệu, bồn hoa, phía sau có hang đá. Hiện nay không gian và cảnh quan nhà thờ bị chen lấn bởi sự phát triển của đô thị, mất đi sự tương xứng với quy mô đồ sộ của nhà thờ.
