Ðầu năm 1963, nhà thờ bắt đầu được khởi công xây dựng. Tới năm 1967 mới lên được phần cung thánh. Tiếp đến 1995 phần thân nhà thờ về cơ bản được hoàn thành.

Nhà thờ Chính toà Phú Cam được xây theo quan niệm vật lý kết cấu mới. Các trụ đỡ được đúc sát vào tường, chạy uốn cong dần về phía trước, mềm mại. Bốn góc, mỗi góc có ba trụ đỡ vươn dần ra, tạo thành một không gian đủ rộng ôm kín cung thánh và bàn thờ.

Lòng nhà thờ được xây theo truyền thống cổ điển có hình thánh giá Latin cộng với lòng căn hai cánh mở rộng. Có hai dãy cửa gương màu nằm ở phần trên bên trong lòng nhà thờ, phía giữa có hình thánh giá bằng xi măng cốt sắt.

Cung thánh là một hình tròn có các cấp đi lên, trên cung là một hình tròn nhưng nhỏ hơn với bàn thờ bằng đá cẩm thạch nguyên khối.

Nhà tạm, được xây sát vào phần hậu thân nhà thờ, nằm gọn vào phần lõm phía sau và được đặt trên một bệ cao ngay chính giữa.

Hai bên cánh hình thánh giá nhà thờ, cánh trái là phần mộ Ðức cố Tổng giám mục Philipphê Nguyễn Kim Ðiền (1921 - 1988), cánh phải đối diện là bàn thờ kinh thánh.

Phía trước nhà thờ Chính toà Phú Cam có hai tượng đúc: bên phải là thánh Phêrô, bên trái thánh Phaolô cũng là những bổn mạng của giáo xứ Phú Cam.

Tiền đường của Phú Cam trông giống như hàm con rồng đang há miệng nhìn tổng thể, nhà thờ Phú Cam với đỉnh nhà thờ vươn thẳng lên trời trông vẫn hết sức thanh thoát nhẹ nhàng, mang đầy tính nghệ thuật và tôn giáo.