Nhà thờ Sa Pa toạ lạc trên một vị trí đắc địa với phía sau là núi Hàm Rồng che chắn, phía trước là khu đất rộng, bằng phẳng, nơi diễn ra những lễ hội đầy màu sắc của phố núi.

Nhà thờ ở vị trí trung tâm của thị trấn Sa Pa, đứng ở bốn phía đều có thể quan sát được di tích, cùng với hai công trình kiến trúc khác cũng do người Pháp xây dựng là biệt thự Chủ Cầu (nay là khách sạn Hoàng Liên) và khu huyện ủy cũ (nay là trụ sở của Trung tâm Thông tin Du lịch Lào Cai) tạo thành một hình tam giác cân đối với kiến trúc riêng biệt mang phong cách Pháp.

Với tổng diện tích của khuôn viên nhà thờ hơn 6.000 m2, nhà thờ Sa Pa có đủ chỗ cho việc bố trí các khu bao gồm: khu nhà thờ, dẫy nhà xứ, nhà ở của thầy tu, nhà chăn nuôi, nhà thiên thần, phần sân phía trước, hàng rào, khu Vườn Thánh.

Khu nhà thờ gồm 7 gian rộng hơn 500 m2, phần tháp chuông cao 20 m, trong tháp có quả chuông cao 1,5 m, đúc tại năm 1932, nặng 500 kg, tiếng vang trong vòng bán kính gần một cây số.

Theo một số ghi chép lại, nhà thờ đã được lựa chọn có mặt tiền quay về hướng Đông có ý nghĩa tâm linh quan trọng đối với người Công Giáo, tức là hướng mặt trời mọc. Có người giải thích cho rằng đó là hướng đón nguồn sáng của Thiên Chúa. Ở khu có tháp chuông, tức là phía cuối nhà thơ, được quay về hướng Tây, có ý nghĩa chính là nơi sinh thành của Chúa Kitô. Nhà thờ được xây từ đá đẽo, theo lối kiến trúc Gothic của La Mã.

Toàn bộ nhà thờ được xây bằng đá đẽo (tường, nền nhà, tháp chuông, sân nhà thờ, bờ kè xung quanh) được liên kết với nhau bằng hỗn hợp của cát, vôi và mật mía.

Nhà thờ đá nằm giữa khu trung tâm Sa Pa là điểm hẹn của nhiều khách du lich sapa mỗi khi có dịp đến đây. Tuy qua một số lần trùng tu, cải tạo do chiến tranh và sự tàn phá khốc liệt của thiên nhiên nhưng nhà thờ vẫn giữ được nét duyên dáng và hồn của công trình kiến trúc tôn giáo.