Mặt bằng xây dựng nhà thờ mang dạng thánh giá, đầu hướng về phía Nam đuôi hướng Bắc. Nhà thờ có kết cấu theo kỹ thuật xây dựng hiện đại nhưng phần trang trí vẫn theo nghệ thuật cổ điển của phương Tây. Các trụ đỡ được đúc sát vào tường, chạy uốn cong dần về phía trước, mềm mại. Bốn góc mỗi góc có ba trụ đỡ vươn dần ra, tạo thành một không gian đủ rộng ôm kín Cung thánh và bàn thờ.

Lòng nhà thờ rộng, có thể chứa được 2500 người đến dự lễ. Có hai dãy cửa gương màu nằm ở phần trên bên trong lòng nhà thờ cung cấp ánh sáng cho nội thất.

Cung thánh là một hình tròn có các cấp đi lên, trên cung là một hình tròn nhưng nhỏ hơn với bàn thờ bằng đá cẩm thạch nguyên khối.

Nhà tạm, được xây sát vào phần hậu thân nhà thờ, nằm gọn vào phần lõm phía sau và được đặt trên một bệ cao ngay chính giữa.

Bên trong nhà thờ, cánh trái là phần mộ Tổng Giám mục Philípphê Nguyễn Kim Ðiền, cánh phải đối diện là bàn thờ thánh tử đạo Tống Viết Bường (người gốc Phủ Cam, mất năm 1833).

Phía trước nhà thờ Chính toà Phủ Cam có hai tượng đúc: bên phải là thánh Phêrô, bên trái thánh Phaolô cũng là những bổn mạng của giáo xứ Phủ Cam.

Nhìn tổng thể, nhà thờ Phủ Cam với đỉnh nhà thờ vươn thẳng lên trời trông vẫn thanh thoát nhẹ nhàng, mang tính nghệ thuật và tôn giáo.