Nhà thờ gốc có phong cách kiến trúc Gothic đậm dấu ấn Tây Ban Nha, sau được xây lại theo phong cách kiến trúc Gothic nước Pháp. Nhà thờ có kích thước: dài 80 mét, rộng 27 mét, cao 30 mét. Hai tháp chuông cao 44 mét đặt 4 quả chuông được đúc từ Pháp chuyển sang với trọng lượng là: 2.000 kg - 1.200 kg - 600 kg và 100 kg.

Mặt tiền nhà thờ từ ngoài vào, bên phải có tượng đài Thánh Đaminh cao 17m, riêng phần tượng cao 2,3m. Bên trái có Lăng lưu trữ hài cốt của 83 người tử đạo thuộc họ đạo xứ Phú Nhai cao 15m.

Xung quanh nhà thờ có các phù điêu thể hiện 14 Đàng Thánh Giá

Khi khách tham quan đứng trên ngọn tháp cao của nhà thờ Phú Nhai sẽ được chiêm ngưỡng được toàn cảnh của Huyện Xuân Trường. Năm 2008 Đền thánh Phú Nhai được nâng lên hàng thành Tiểu Vương cung Thánh đường (Minor Basilica).