徐家匯天主堂是上海最大的天主教堂，座西朝東，平面呈十字形，是一座仿法國中世紀哥德式教堂，紅色的磚牆，白色的石柱，青灰色的石板瓦頂，兩座鐘樓，南北對峙，高聳入雲。徐家匯天主教堂被稱為上海的「梵蒂岡」。
哥德式建築（英語：Gothic architecture），或譯作歌德式建築，是一種興盛於中世紀高峰與末期的建築風格。它由羅曼式建築發展而來，為文藝復興建築所繼承。發源於十二世紀的法國，持續至十六世紀，哥德式建築在當代普遍被稱作「法國式」（Opus Francigenum），「哥德式」一詞則於文藝復興後期出現，帶有貶意。哥德式建築的特色包括尖形拱門、肋狀拱頂與飛拱。
教堂主會堂建築為磚木結構，整幢建築高五層，磚木結構，外觀是典型的歐洲中世紀哥德式。大堂頂部兩側是哥德式鐘樓，雙尖頂磚石結構，堂脊高18米，鐘樓全高約57米，塔尖高31米，尖頂上的兩個十字架，直插雲霄。一個多世紀以來，教堂歷經歲月的蕩滌，多次遭到破壞，並經歷了數次修繕。
據《徐匯紀略》載：「新堂鐘樓高17丈，堂脊高8丈，闊9丈，中闊10丈，深25丈，可容納2500人，內設祭臺21座……為滬上第一大堂。」
徐家匯天主堂是全國重點文物保護單位，是上海最大的天主教堂。它座西朝東，平面呈十字形，是一座仿法國中世紀哥德式教堂，徐家匯天主教堂以其規模巨大、造型美觀、工藝精湛，在當時被譽為上海的第一建築，是上海天主教發源地，其正式名稱為：聖依納爵主教座堂，是天主教上海教區的主教府所在地。
資料顯示為中世紀哥德式建築，但根據研究，準確的說法應該是十九世紀新古典主義時期法國哥特復興風格。會堂平面呈拉丁十字形，坐西朝東，南北寬34米，東西長84米，會堂淨高高28米。教堂外飾面為清水磚，花崗石鑲邊，飾以許多聖徒的石雕，純潔而安祥。屋頂鋪設頁巖瓦，女兒牆外側壁垛頂端安置有滴水獸。教堂主會堂建築為磚木結構，會堂東立面兩側是哥德式鐘樓，鐘樓全高約51.7米，兩個尖頂上各有一個十字架，會堂山牆頂上也有一十字架。
走進徐家匯天主教堂，最為引人注目的是彩繪玻璃和玫瑰花窗。會堂山牆與南北兩翼牆上有圓形玫瑰花窗。山牆主窗為輻射式玫瑰花窗，中花四葉，周圍12朵五葉玫瑰花。南北翼耳堂側牆上為輪式玫瑰窗，中花八葉。據介紹，這種輪式窗在羅馬時期就出現了。
堂內則有蘇州產金山石雕鑿的64根植柱，支撐起呈下寬上窄結構的整個內部空間，在2017年的修繕中也保護了石柱原來的面貌，每根又有10根小圓柱組合而成。地板上的花磚已經有一百多年歷史，中間一條通道則鋪花磁磚。
教堂高79米，寬28米，磚木結構，佔地面積2670平方米，建築面積6670平方米。教堂內部現能夠容納3000人，座椅可以容納1000餘人。
教堂有祭臺19座，正祭臺處寬44米，是民國八年(1919年)復活節從巴黎運來，祭臺正中安置有聖依納爵及八位聖人雕像，雕刻精美，色彩鮮明。橫軸由南北耳堂組成，十字交叉點上方曾有一座鐘樓，有較高的宗教藝術價值。
內部的頂部迴廊，通過獨特的網狀設計結合空氣動力學原理，讓至少三層樓高的大廳不用人工清洗高位玻璃而且保證在教堂的任何一個地方用平常聲音說話能傳到教堂的任何一個角落。
門窗都是哥特尖拱式，嵌彩色玻璃，鑲成圖案和神像。主體牆上有巨大圓形花窗，其上鑲嵌彩色玻璃，建築造型挺拔莊嚴。這些玻璃圖畫題材多以宗教性的故事為主，也夾雜少量現實生活的題材，每扇玻璃都有不同的故事。
經過近年的封閉修繕，大量歷史文獻的考證、修舊如舊的工藝重塑了大教堂哥德式的歷史風貌，再現了這座保護建築的壯美。