Quần thể nhà thờ Phát Diệm gồm 1 nhà thờ lớn và 5 nhà thờ nhỏ (trong đó có một nhà thờ được xây dựng bằng đá tự nhiên, được gọi là nhà thờ đá), 1 phương đình (nhà chuông), ao hồ và 3 hang đá nhân tạo. Theo ông Nguyễn Văn Giao, hướng dẫn viên phục vụ nhà thờ cho biết: "Nói công trình này giống đình chùa là rất đúng. Cha Phêrô Trần Lục có mong muốn rằng, qua công trình này nói lên tính chất hòa hợp và sự hội nhập giữa đạo Công giáo với nền văn hóa kiến trúc của dân tộc cũng như sự hòa hợp giữa Công giáo với các tôn giáo khác ở Việt Nam; nói lên tính đoàn kết".[6]

• Ao hồ: Một hồ nước hình chữ nhật, rộng khoảng 4 ha, được kè đá xung quanh nằm trực diện với con đường từ thị trấn Phát Diệm dẫn vào nhà thờ. Giữa hồ là một hòn đảo trên đó có bức tượng Chúa Giê-su.
• Phương Đình: khởi dựng năm 1899, là một công trình kiến trúc cao 25m, rộng 17m, dài 24m gồm ba tầng được xây dựng bằng đá phiến, lớn nhất là tầng dưới cùng được xây dựng bằng đá xanh. Trên 4 đỉnh tháp có 4 pho tượng bốn vị Thánh Sử, mà từ đường nét, tư thế đến đường mây nếp áo khiến ta dễ lầm với các pho tượng trong các đền chùa Việt Nam. Các vòm cửa bằng đá được lắp ghép đến trình độ tinh xảo. Giữa Phương Ðình đặt một sập làm bằng đá nguyên khối, phía ngoài và bên trong là những bức phù điêu được khắc chạm trên đá hình ảnh chúa Giê-su và các vị thánh với những đường nét thanh thoát. Tầng thứ hai của Phương Ðình treo một trống lớn. Tầng ba treo một quả chuông cao 1,4m, đường kính 1,1m, nặng gần 2000 kg, quả chuông lớn ở Phương Ðình được đúc vào năm 1890. Một tiếng chuông vang xa được ví như cả ba tỉnh (Nam Định, Ninh Bình và Thanh Hóa) nghe thấy. Mái của nhà thờ Phát Diệm không cao vút kiểu ngọn tháp như những nhà thờ khác mà là mái cong thấp cổ kính như mái đình, mái chùa.
• Nhà thờ lớn: Nhà thờ chính được xây dựng từ năm 1891 với tên chính thức là Nhà thờ Đức Mẹ Mân Côi, nay là nhà thờ chính tòa của vị Giám mục Phát Diệm. Nhà thờ lớn dài 74m, rộng 21m, cao 15m, có bốn mái và có năm lối vào dưới các vòm đá được chạm trổ. Trong nhà thờ có 6 hàng cột gỗ lim (48 cột) nguyên khối, hai hàng cột giữa cao tới 11m, chu vi 2,35m, mỗi cột nặng khoảng 10 tấn. Gian thượng của thánh đường có một bàn thờ lớn làm bằng một phiến đá nguyên khối dài 3m, rộng 0,9m, cao 0,8m, nặng khoảng 20 tấn. Mặt trước và hai bên được chạm trổ các loài hoa đặc trưng của bốn mùa làm cho bàn thờ như được phủ một chiếc khăn màu thạch sáng. Hai phía bên nhà thờ có bốn nhà thờ nhỏ được kiến trúc theo một phong cách riêng.
• Nhà thờ đá: Khởi công xây dựng từ năm 1883. Tên nguyên thủy: Nhà nguyện Trái tim Vô nhiễm nguyên tội Đức Mẹ, còn được gọi là nhà thờ đá vì tất cả mọi thứ ở nhà thờ này đều được làm bằng đá, từ nền, tường, cột, chấn song cửa... Phía trong được chạm nhiều bức phù điêu đẹp, đặc biệt là bức chạm tứ quý: tùng, mai, cúc, trúc, tượng trưng cho thời tiết và vẻ đẹp riêng của bốn mùa trong một năm. Ðường nét khắc họa những con vật như sư tử, phượng sống động đến lạ thường.
• Các hang đá nhân tạo: ở phía bắc khu nhà thờ Phát Diệm có 3 hang đá cách nhau khoảng 100m được tạo bằng những khối đá lớn nhỏ khác nhau giữ nguyên dáng vẻ tự nhiên. Trong đó, hang Lộ Ðức là đẹp nhất. Trên các hang đá đều có các tượng lớn.
• Nhà nguyện Trái Tim Đức Mẹ và Hang đá Đức Mẹ:
• Núi Lộ Đức: Nguyên thủy tên là Vườn Giệt-si-ma-ni (phiên âm từ Gethsemane), khởi dựng năm 1896, từ năm 1925 đổi tên thành núi Lộ Đức.
• Núi Sinh Nhật: nguyên thủy tên là Núi Táng Xác, khởi dựng năm 1875, cũng là công trình được xây dựng đầu tiên với quy mô rất đồ sộ nhằm mục đích thử độ lún của đất mới bồi. Từ năm 1954 được đổi tên thành Núi Sinh Nhật.
• Núi Sọ, trong đây có hang Bêlem
• Và các nhà nguyện: Nhà nguyện dâng kính Trái Tim Chúa, nhà nguyện kính thánh Phêrô, nhà nguyện kính thánh Giuse, và nhà nguyện kính thánh Rôcô (tên nguyên thủy: nhà nguyện kính thánh Gioan Tiền Hô).