Tọa lạc tại số 1 Quảng trường Công xã Paris, 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 (07/10/1877) và cũng là người cử hành lễ khánh thành (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 Đức Bà là một trong những công trình kiến trúc độc đáo nhất tại Sài Gòn, luôn thu hút sự quan tâm của du khách trong và ngoài nước. Toà thánh đường có chu vi 91 x 35,5 m, chiều cao 21 m. Chung quanh không có tường rào bao bọc. Móng của nhà thờ thiết kế đặc biệt, chịu được tải trọng gấp 10 lần toàn bộ kiến trúc ngôi nhà thờ bên trên. Nhìn bên ngoài, từ tường đến mái toàn bộ là một màu đỏ gạch nung tươi mới, không hề có rêu mốc bám vào. Hiện trong nhà thờ còn có một số ngói vỡ, bên trên có in hàng chữ Guichard Carvin, Marseille St André France (có thể đây nơi sản xuất loại ngói này), một số 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 Chiến tranh thế giới thứ hai, thời gian mà theo Linh mục Vương Sĩ Tuấn (phụ tá Linh mục Chánh sở Huỳnh Công Minh), có nhiều cửa kính của nhà thờ bị vỡ. Hệ thống kính màu trên tường gồm 56 chiếc, mô tả các nhân vật và sự kiện trong Thánh kinh. Khi có ánh sáng chiếu vào toát lên vẻ đẹp lung linh, lộng lẫy. 31 lỗ thông hơi hình bông hồng tròn, xuyên thẳng vào tường rất khéo trông như những hoa văn trên tấm lụa. 25 cửa sổ mắt bò bằng kính nhiều màu ghép lại với những hình ảnh rất đẹp.
Nội thất thánh đường được thiết kế thành một lòng chính, hai lòng phụ, tiếp đến là hai dãy nhà nguyện. Thánh đường có sức chứa khoảng 1.200 người, với hai hàng cột chính hình chữ nhật mỗi bên sáu chiếc (tổng cộng 12 chiếc) tượng trưng cho 12 vị thánh tông đồ. Ngay sau hàng cột chính là một hành lang có khá nhiều khoang. Tại đây, đặt khoảng hơn 20 bàn thờ với các bệ thờ và tượng thánh nhỏ làm bằng đá trắng khá tinh xảo. Hệ thống chiếu sáng của thánh đường ngay từ đầu đã được thiết kế bằng điện, không dùng đèn cầy. Ban ngày thì được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, thông qua các cửa kính màu và các lỗ thông gió.
Hai toà tháp chuông được xây dựng năm 1895, cao 57 m. Năm 1920, ở mỗi bên tháp chuông, người ta đặt một cây thánh giá cao 3,5 m, ngang 2 m. Tổng thể chiều cao từ mặt đất lên đỉnh thánh giá là 60,5 m. Tháp chuông có 6 quả chuông nặng tổng cộng 25.850kg lớn nhất Viễn Ðông thời đó, âm thanh phát ra là Sol, La, Si, Do, Ré, Mi. Từ bên ngoài nhìn vào, gác chuông bên phải là lầu chuông Nam. Nơi đây được treo quả chuông lớn nhất và 3 quả chuông nhỏ hơn. Bên trái là lầu chuông Nữ được treo hai quả chuông còn lại.
Phía trước thánh đường là một công viên. Giữa công viên là bức tượng Đức Mẹ Hòa Bình (hay Nữ vương Hòa Bình). Ở một góc vạt áo phía bên trái tượng có khắc tên tác giả là G. Ciocchetti. Tượng được tạc ở Ý, chuyển về Sài Gòn năm 1959, bằng đường thuỷ. Bức tượng cao 4,6 m, nặng 5,8 tấn, bằng đá cẩm thạch trắng, không đánh bóng, còn giữ được vẻ thô sơ. Tượng tạc hình Đức Mẹ trong tư thế đứng thẳng, tay cầm trái địa cầu, trên trái địa cầu có đính cây thánh giá, mắt Đức Mẹ đăm chiêu nhìn lên trời như đang cầu nguyện cho Việt Nam và cho thế giới được hoà bình. Chân Đức Mẹ đạp đầu con rắn. Trên bệ đá, phía trước bức tượng, người ta có gắn một tấm bảng đồng với hàng chữ tiếng Latin: REGINA PACIS – OPRA PRONOBIS – XVII. II. MCMLIX (Nữ vương Hoà bình – Cầu cho chúng tôi – 17-02-1959). Phía dưới bệ đá, chỗ giáp với chân tượng, có một cái hốc nhỏ, bên trong đặt một chiếc hộp bằng bạc, chứa những lời kinh cầu nguyện cho hoà bình.