Nhà thờ Phát Diệm được xây dựng từ cuối thế kỷ XIX trên vùng đất phù sa ven biển vốn là đầm lầy mới bồi. Dưới sự chỉ đạo của Linh mục Phêrô Trần Lục (cụ Sáu) cùng sự chung sức của người dân địa phương, công trình đã được thi công liên tục trong hơn 20 năm bằng những kỹ thuật xây dựng truyền thống. Để tạo nền móng vững chắc, người xưa đào móng sâu và đóng hàng nghìn cọc tre gia cố nền đất trước khi xây dựng. Toàn bộ vật liệu như đá xanh, gỗ lim và ngói đều được khai thác từ nhiều địa phương, vận chuyển chủ yếu bằng sức người và đường thủy, trong đó có những khối đá nguyên khối nặng hàng chục tấn.
Quần thể Nhà thờ Phát Diệm được quy hoạch theo trục Nam – Bắc với bố cục hài hòa, gồm nhiều hạng mục kiến trúc đặc sắc:
Hồ nước và tượng Chúa Giêsu ở phía trước, tạo không gian trang nghiêm và thoáng đãng.
Phương Đình – tháp chuông đồ sộ, được xem là công trình nổi bật của toàn bộ quần thể.
Nhà thờ Lớn (Nhà thờ Chính tòa) – trung tâm của khuôn viên với kiến trúc kết hợp giữa phong cách Á Đông và phương Tây.
Năm nhà thờ nhỏ, nổi bật là Nhà thờ Trái Tim Đức Mẹ (thường gọi là Nhà thờ Đá), được xây dựng gần như hoàn toàn bằng đá tự nhiên.
Ba hang đá nhân tạo, tái hiện các câu chuyện trong Kinh Thánh và tạo điểm nhấn độc đáo cho khuôn viên.
Với quy mô bề thế cùng lối kiến trúc giao thoa giữa đình, chùa truyền thống Việt Nam và nhà thờ Công giáo châu Âu, Nhà thờ Phát Diệm được mệnh danh là "Kinh đô Công giáo Việt Nam". Trải qua hơn 130 năm, phần lớn các hạng mục vẫn được bảo tồn gần như nguyên vẹn, trở thành công trình kiến trúc – tôn giáo tiêu biểu, đồng thời là minh chứng cho kỹ thuật xây dựng tài hoa và tinh thần lao động bền bỉ của người Việt cuối thế kỷ XIX.


