Hình ảnh quần thể độc đáo của nhà thờ Phát Diệm:
Công trình tọa lạc trên diện tích 22 ha. Quần thể kiến trúc này được khởi công vào năm 1875 và đến năm 1898 thì cơ bản hoàn thành.
Quần thể nhà thờ Phát Diệm gồm nhà thờ lớn và 5 nhà thờ nhỏ (trong đó có một nhà thờ được xây dựng hoàn toàn bằng đá tự nhiên, được gọi là nhà thờ đá); phương đình (tháp chuông); ao hồ và 3 hang đá nhân tạo.
Toàn bộ công trình nhà thờ Phát Diệm làm hoàn toàn thủ công, không có bất cứ máy móc, không có sắt thép, bê tông mà chỉ được làm bằng chất liệu chủ yếu là đá và gỗ lim được lấy từ nhiều địa phương.
Phương Đình được coi là kiệt tác, cao 25m, dài 17m, ngang 24m gồm ba tầng được xây dựng bằng đá phiến, lớn nhất là tầng dưới cùng được xây dựng bằng đá xanh. Tầng cao nhất của Phương Đình có 5 khối tháp, khối tháp trung tâm đặt một quả chuông nặng 2 tấn và có chiều cao tới 1,9m.
Những người thợ thủ công thời đó đã ghép những phiến đá nặng hàng tấn, mức độ chính xác rất cao.
Những bức phù điêu được trạm khắc khéo léo trên những tạc đá xanh nguyên khối được làm bởi những nghệ nhân trạm khắc đá thời bấy giờ..
Mỗi mặt bên trái và bên phải của nhà thờ lớn lại có 2 nhà thờ nhỏ nằm liền kề, gồm nhà thờ Thánh Phêrô, nhà thờ Thánh Giuse, nhà thờ Thánh Bôcô và nhà thờ Trái tim Chúa Jesus. Mỗi nhà thờ có một thiết kế khác nhau, cả về ngoại thất lẫn nội thất.
Trong hệ thống 5 nhà thờ nhỏ ở Phát Diệm có một ngôi nhà được làm bằng đá có tên là Trái tim Đức mẹ. Công trình được xây dựng đầu tiên tại cụm di tích này.
Nhà thờ dài 15,3 m rộng 8,5m. Hầu hết nền, cột, xà, tường, chấn song, tháp… đều được làm bằng đá. Do đó Phát Diệm quen gọi là nhà thờ Đá.
Trung tâm và cũng là điểm nhấn của quần thể là nhà thờ chính tòa. Chiều dài là 74m chiều rộng là 21m có 4 mái được chạm trổ tinh xảo. Gian chính là thánh đường đặt một bàn thờ lớn làm bằng đá nguyên khối, mặt trước và sau đều được chạm khắc những hoa văn đặc trưng cho bốn mùa.
Bên trong nhà thờ lớn có 52 cột đỡ, sắp xếp thành 6 hàng, chia không gian nhà thờ thành 9 gian.
Ba hang đá nhân tạo ở phía bắc nhà thờ Phát Diệm, được tạo bằng những khối đá lớn nhỏ khác nhau giữ nguyên dáng vẻ tự nhiên. Trên các hang đá đều có các tượng lớn.
Nhà thờ đá Phát Diệm thu hút số lượng lớn khách du lịch trong nước và quốc tế đến tham quan, khám phá.