Nhà thờ đá Sa Pa được xây dựng từ đầu thế kỷ 20, tọa lạc trên một vị trí đắc địa, phía trước là một khu đất rộng, bằng phằng, có thể phát triển thành nhiều công trình căn hóa, còn phía sau là núi Hàm Rồng che chắn. Hiện, Nhà thờ đã được tôn tạo, bảo tồn gìn giữ vì nó là hình ảnh không thể thiếu trong khung cảnh thị trấn Sa Pa và mang đậm dấu ấn kiến trúc của người Pháp còn toàn vẹn nơi đây.
Đặc biệt, nhà thờ đá Sa Pa còn ở vị trí trung tâm thị trấn nên có thể quan sát được di tích ở cả 4 phía và kết hợp cùng với 2 công trình kiến trúc khác là biệt thự Chủ Cầu và khu huyện ủy cũ, tạo thành một tam giác cân đối mang đậm kiến trúc Pháp.
Nhà thờ được xây dựng quay về hướng Đông, với mục đích đón nguồn sáng Thiên Chúa, trong khi hình dạng được xây dựng theo hình chữ thập giá thuộc kiến trúc Gotic La Mã. Kiến trúc này được thể hiện rõ nét ở mái nhà, vòm cuốn, tháp chuông,…đều có hình chóp, mang đến cho công trình nét bay bổng thanh thoát. Toàn bộ nhà thờ đá Sa Pa được xây bằng đá đẽo, và được liên kết với nhau bằng hỗn hợp của gồm vôi, cát và mật mía. Phần tường trên cánh thánh giá bên phải nhà thờ được tạo nhám như nhũ đá chảy xuống, mang lại vẻ đẹp tự nhiên cho di tích. Trong khi đó, mái nhà được lợp ngói, trần nhà bằng vôi, sắt, rơm,…
Với tổng diện tích khuôn viên nhà thờ Sa Pa lên đến hơn 6.000 m2, nhà thờ có đủ chỗ cho việc bố trí các khu bao gồm:
- Dãy nhà xứ xây song song với khu nhà thờ, gồm 5 gian: phòng nghỉ của Cha xứ, phòng của Đức Cha và ba gian phòng khách.
- Nhà thiên thần gồm: tầng hầm, 3 gian tầng trên là nơi cứu chữa người bệnh tật, chứa người lữ hành qua đêm, công trình vệ sinh, bếp ăn, khu để xác, …
- Khu vườn thánh có 2 ngôi mộ và 5 cây Kháo Vàng trên trăm (4 cây mọc trên đá).
- Khu nhà thờ gồm 7 gian rộng hơn 500m2 và phần tháp chuông cao 20m. Trong tháp có quả chuông cao 1,5 m, nặng 500 kg và cho tiếng vang xa gần 1km.
Tuy nhà thờ cổ đá Sa Pa đã qua một số lần trùng tu, cải biến do chiến tranh và sự tàn phá của thiên nhiên nhưng vẫn giữa nguyên được nét duyên dáng cùng cái hồn của một công trình kiến trúc tôn giáo trang nghiêm. Từ khi được xây dựng đến nay, nhà thờ luôn là địa điểm diễn ra các hoạt động văn hoá truyền thống của các dân tộc thiểu số tại Sa Pa. Ngay phía trước Nhà thờ Sa Pa là khu vực Sân quần, hàng thông lưu niên, nơi thường diễn ra các sinh hoạt văn hoá độc đáo mà du khách quen gọi với cái tên “chợ tình”. Cùng với các hoạt động cầu nguyện diễn ra tạo cho không gian của Nhà thờ thêm lung linh, huyền ảo và lôi cuốn trong mắt du khách tham quan gần xa.
