建筑規模
　　教堂建筑總面積為2754平方米，東西寬35米，南北長78.69米，由地面到塔尖高58.5米，是天主教廣州教區最大教堂，國內現存最宏偉的雙尖塔哥特式建筑之一，東南亞最大的石結構天主教建筑，也是全球四座全石結構哥特式教堂建筑之一，當時耗資40萬法郎，可與聞名世界的法國巴黎圣母院相媲美。

建筑風格
　　圣心大教堂幾乎具有哥特式教堂的所有構圖元素，既有早期建筑風格的彩色玫瑰窗、透視門等，又具中、晚期建筑風格的雙鐘樓尖塔等。另外，尖頂拱券、飛扶壁、石束柱等構件運用得得心應手，構圖的完美，比例的準確，使其成為屹立于東方的一個非常純正的歐洲中世紀天主教堂。

建筑結構
　　該教堂正面是一對高聳的尖頂石塔，象征升向天堂，皈依天主；石塔中間西側是一座大時鐘，石塔中間東側是一座大鐘樓，裝有四具從法國運來的大銅鐘；西邊鐘樓的西、南、北三個塔面安裝有羅馬字鐘面的時鐘，東邊鐘樓內懸掛著以圣母瑪利亞命名的銅鐘組；正立面的鐘樓上聳立尖塔，是哥特式教堂建筑風格的特征，也是建筑造型藝術魅力的內是尖形肋骨高叉的拱形穹窿；正面大門上面和四周墻壁分布的花窗欞，都是合掌式，所有門窗都以法國制造的較深的紅、黃、藍、綠等七彩玻璃鑲嵌。這玻璃可避免室外強光射入，使室內光線終年保持著柔和，形成慈祥、肅穆的宗教氣氛。充分展現：尖塔為空心的八角形錐體，用石塊砌成，其下是三層樓房，尖塔越往上越陡峭，最后像錐尖刺向蒼穹。

外觀設計
　　圣心堂原占地6000多平方米，除教堂外，還有醫院、神學院及中、小學校等房舍，現僅存教堂、主教府和東西的頤鐸堂，門前為廣場，周邊為商鋪及民居。教堂平面呈拉丁十字形，坐北向南，分為3層。底層開3個尖拱券門，門框外有層層退入的7對柱線與7層尖拱肋，中部正中有直徑6米、石雕鏤空的玫瑰窗。東西兩側的墻下方分別刻有“Jenuslem1863”和“Roma1863”拉丁文。二層當中是一用石頭雕刻鏤空的圓形玫瑰窗。三層為鐘樓，一對八角形的尖形塔頂高峻陡峭，東塔裝法式命名為“瑪利亞”等圣名的銅鐘4具，西塔安裝機械時鐘。堂內以二排縱向束柱把空間分為中廳和側廊，采用尖形肋骨十字拱頂，東西兩側的外墻建有飛拱和飛扶壁，凌空斜撐。整座建筑的尖形拱窗、玫瑰窗、女兒墻及室內裝飾精細，束柱的柱頭以變形的麥穗作裝飾，束柱柱礎并在一起表示堅如磐石；出水口為中國傳統風格的石獅式樣。

　　石室教堂正面是典型的左右三段式和上下三段式格局，基座是三座尖拱門，中央大門最大，左右門對稱，這三座門及東西兩側的橫門都是層層疊疊的尖券門，具有很強的透視效果。門楣上有精致的石雕圖案，中間是碩大的玫瑰花窗，兩側對稱的窗子和三樓的兩扇窗都是合掌式的，與大門一樣的暗紅色，同樣裝飾尖券，在上下兩部分之間，都刻有排列有序的欄桿。

內部結構
　　走進教堂，左右各有10根巨型石柱支撐交叉、急劇上升的尖拱，使整個教堂內部保留著和外觀一致的向上的升騰感覺。堂頂中間最高，兩側稍低，呈現起伏的態勢。從大門向祭壇方向，由于石柱的排列和堂頂的尖拱結構，整個大堂有一種向上和向前延伸的感覺，渲染出莊重的宗教氣氛。 　　
    石室中巨大的彩色玻璃窗最引人注目，正面、東面、西面各有直徑7米的圓形玫瑰花窗，用深紅、深藍、紫黃等玻璃鑲嵌。這些彩色玻璃窗歷經百年，多有損壞，多用國產的藍綠色玻璃修補。而在當時，這些玻璃窗上所繪的是圣經故事。