Tổng thể công trình mang phong cách Gô-tích kết hợp Rô-man, pha chút Ba-rôc ở những nét trang trí. Đến năm 1929, khu nhà thờ được tôn tạo: giáo đường được mở rộng hơn, một tòa tháp cao 52,60m được xây thêm. Vào tháng 12/1976, nhân dịp kỷ niệm 100 năm, nhà thờ lại được trùng tu, nền Cung Thánh được tôn cao hơn, sơn sửa lại tháp chuông.

Với màu sơn hồng và những đường nét hoa văn trang trí màu trắng làm cho toàn bộ công trình nổi bật trên nền trời xanh, tạo một vẻ lộng lẫy và tươi mới.

Nhìn từ phía mặt tiền, sẽ thấy tòa tháp chính và hai tháp phụ. Trên đỉnh tháp là chóp hình bát giác với cây thánh giá đồng cao 3m. Trong tháp có 5 quả chuông, nặng tổng cộng 5,5 tấn. Hai bên tháp phụ có những tháp đèn, có nhiều lỗ thông gió và những hoa văn tạo vẻ vững chãi nhưng rất duyên dáng.

Hai bên hông là dẫy hành lang có mái vòm, lợp ngói vẩy cá, những ô cửa tròn với những hoa lá trang trí, tượng thiên thần rất tinh xảo.

Thánh đường bên trong khá bề thế với hai hàng cột Gô-tich, dẫn tới bàn thờ chính. Cùng với mặt tiền, hai hàng cột này được đánh giá là những nét đẹp nhất trong cả công trình kiến trúc.

Hàng cột biên bên trái là tượng các Thánh nữ, bên phải là các tượng Thánh nam. Các bàn thờ trong Thánh đường được làm từ các loại đá quý đưa từ Italia sang.

Nhà thờ Tân Định thực sự không chỉ là một công trình kiến trúc có giá trị, được đưa vào danh mục những địa chỉ lịch sử, văn hóa, du lịch của thành phố, là nơi thờ phụng của bà con giáo dân, mà còn là nơi tổ chức những hoạt động từ thiện của những tấm lòng sống “tốt đời đẹp đạo”.