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.
Hình dạng và kiến trúc của Nhà thờ được xây theo hình thập giá theo kiến trúc Gotic La Mã. Kiến trúc đó thể hiện ở mái nhà, tháp chuông, vòm cuốn… đều là hình chóp tạo cho công trình nét bay bổng thanh thoát. Các cửa sổ khung kính màu mô tả cuộc đời của Đức Chúa.
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.
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.
Việc chọn hướng của nhà thờ có ý nghĩa tâm linh quan trọng đối với người Công Giáo: Đầu di tích quay về phía Đông, là hướng mặt trời mọc, hướng đón nguồn sáng Thiên Chúa. Cuối nhà thờ (khu Tháp chuông) là hướng Tây, nơi sinh thành của Chúa Kitô.
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.
Tháng 5/2006, giáo xứ Sa Pa chính thức có linh mục quản nhiệm và thường trú sau gần 60 năm không có cha xứ. Nhà thờ đã được tôn tạo và bảo tồn, trở thành một hình ảnh không thể thiếu khi nhắc đến thị trấn Sa Pa mù sương.
