Tọa lạc tại số 1 Quảng trường Công xã Paris, ngay trung tâm quận 1, Nhà thờ Chính tòa còn được gọi là Nhà thờ Đức Bà, được xây dưới thời Đức Giám mục Colombert, phụ trách giáo phận. Giám mục là người đặt viên đá đầu tiên vào ngày 7/10/1877) và cũng là người cử hành lễ khánh thành vào ngày 11/8/1880. Nhà thờ được xây theo đồ án của kiến trúc sư Bourard, một chuyên gia về các công trình kiến trúc tôn giáo. Đồ án này là một trong số 18 đồ án xây dựng được đệ trình từ tháng 8/1876.
Nhà thờ Chính tòa là một công trình kiến trúc theo phong cách Roman có chiều dài 91m, rộng 35m, vòm mái cao 21m, chiều cao của hai tháp vuông kể từ đất là 36m6, nếu tính cả hai chóp tháp chuông do kiến trúc sư Gardes thêm vào năm 1885, thì chiều cao này sẽ là 57,6 m.
Nhà thờ được trang trí với 56 cửa kính màu mô tả các nhân vật hay sự kiện trong Thánh Kinh, 31 hình bông hồng tròn và 25 cửa sổ mắt bò, tất cả bằng hình trang trí ghép mảnh.
Tất cả mọi chi phí xây dựng, trang trí nội thất đều do Soái phủ Nam Kỳ đài thọ, với số tiền 2.500.000 france Pháp theo tỷ giá thời bấy giờ. Ban đầu, thánh đường có tên gọi là Nhà thờ Nhà nước vì thánh đường do Nhà nước Pháp bỏ tiền xây dựng và quản lý.
Nói tới những đặc sắc của Nhà thờ Đức Bà, trước tiên là toàn bộ vật liệu xây dựng từ xi măng, sắt thép đến ốc vít đều được mang từ Pháp sang. Mặt ngoài của công trình xây bằng loại gạch đặt làm tại Marseille để trần, không tô trát (đến nay vẫn còn màu sắc hồng tươi), không bám bụi rêu.
Một số ngói vỡ trong nhà thờ có in hàng chữ Guichard Carvin, Marseille St André France, mảnh ngói khác lại có hàng chữ Wang-Tai Saigon. Có thể đây là mảnh ngói được sản xuất sau tại Sài Gòn dùng để thay thế những mảnh ngói vỡ trong thời gian Thế chiến thứ hai do những cuộc không kích của quân Đồng Minh. Toàn bộ thánh đường có 56 ô cửa kính màu do hãng Lorin của tỉnh Chartres (Pháp) sản xuất.
Thứ hai, Móng của thánh đường được thiết kế chịu được tải trọng gấp 10 lần toàn bộ kiến trúc ngôi nhà thờ nằm bên trên. Và một điều rất đặc biệt là nhà thờ không có vòng rào hoặc bờ tường bao quanh như các nhà thờ quanh vùng Sài Gòn - Gia Định lúc ấy và bây giờ.
Thứ ba, nội thất thánh đường được thiết kế thành một lòng chính, hai lòng phụ tiếp đến là hai dãy nhà nguyện. Toàn bộ chiều dài thánh đường là 93m. Chiều ngang nơi rộng nhất là 35 m. Chiều cao của vòm mái thánh đường là 21m.
Sức chứa của thánh đường có thể đạt tới 1.200 người. Nội thất thánh đường có hai hàng cột chính hình chữ nhật, mỗi bên sáu chiếc tượng trưng cho 12 vị thánh tông đồ. Trên tường được trang trí nổi bật 56 cửa kính mô tả các nhân vật hoặc sự kiện trong Thánh Kinh, 31 hình bông hồng tròn, 25 cửa sổ mắt bò bằng kính nhiều màu ghép lại với những hình ảnh rất đẹp.
Nội thất thánh đường ban đêm được chiếu sáng bằng điện (không dùng đèn cầy) ngay từ khi khánh thành. Vào ban ngày, với thiết kế phối sáng tuyệt hảo, hài hòa với nội thất tạo nên trong nội thất thánh đường một ánh sáng êm dịu, tạo ra một cảm giác an lành và thánh thiện.
Điểm độc đáo nữa là ngay phía trên cửa chính là “gác đàn” với cây đàn organ ống, một trong hai cây đàn cổ nhất Việt Nam hiện nay. Đàn này được các chuyên gia nước ngoài làm bằng tay, thiết kế riêng, để khi đàn âm thanh đủ cho cả nhà thờ nghe, không nhỏ mà cũng không ồn.
Phần thân đàn cao khoảng 3m, ngang 4m, dài khoảng 2m, chứa những ống hơi bằng nhôm đường kính khoảng một inch. Phần điều khiển đàn nằm riêng nối với thân đàn bằng những trục, có những phím đàn như đàn organ bình thường và những phím to đặt dưới sàn nhà (dài chừng 3m, ngang khoảng 1m) để người điều khiển đàn đạp lên khi dùng nốt trầm.
Đàn còn có những thanh gõ lớn để đập vào phần dưới các ống hơi phát ra âm thanh. Hiện nay, cây đàn này đã hoàn toàn hỏng do bị mối ăn phần gỗ bàn phím điều khiển bằng tay.
Ở nhà thờ còn có ba quả chuông to nhất là chuông si nặng 4.184kg, chuông la nặng 5.931kg và đặc biệt là chuông sol là một trong những quả chuông lớn nhất thế giới: nặng 8.785 kg, đường kính miệng chuông 2,25m, cao 3,5m (tính đến núm treo). Chuông này chỉ ngân lên mỗi năm một lần vào đêm Giao thừa Âm lịch.
Các chuông đều được điều khiển bằng điện từ bên dưới. Riêng ba chiếc chuông lớn trước khi đánh đều được khởi động bằng cách đạp (vì quá nặng) cho lắc trước khi bật công tắc điện. Vào ngày thường, thánh đường chỉ cho đổ một chuông mi vào lúc 5 giờ sáng và đổ chuông re vào lúc 16g15.
Vào ngày lễ và chủ nhật, nhà thờ thường cho đổ ba chuông theo hợp âm Mi, Re và Do (đúng ra là hợp âm ba chuông Mi, Do và Sol, nhưng vì chuông Sol quá nặng nên thay thế bằng chuông Re). Vào đêm Giao thừa thì mới đổ cả 6 chuông. Tiếng chuông ngân xa tới 10 km theo đường chim bay.
Bộ máy đồng hồ trước vòm mái cách mặt đất chừng 15m, giữa hai tháp chuông được chế tạo tại Thụy Sĩ năm 1887, hiệu R.A, cao khoảng 2,5m, dài khoảng 3m và ngang độ hơn 1m, nặng hơn 1 tấn, đặt nằm trên bệ gạch. Dù thô sơ, cũ kỹ nhưng hoạt động khá chính xác. Để điều chỉnh đồng hồ, phía sau máy có một chiếc đồng hồ to cỡ đồng hồ reo trong gia đình.
Chỉ cần theo dõi chiếc đồng hồ con này, có thể biết đồng hồ lớn chạy chậm, nhanh, đúng hay sai giờ. Mỗi tuần phải lên giây đồng hồ một lần và chiếc cần để lên giây đồng hồ giống như tay quay máy xe. Đồng hồ còn có hệ thống báo giờ bằng búa đánh vào các chuông của nhà thờ, tuy nhiên đã không còn hoạt động do dây cót quá cũ.
