Nhà thờ Lớn Hà Nội, hay Nhà thờ chính toà Thánh Giuse được thiết kế theo phong cách Gothique châu Âu, chịu ảnh hưởng của công trình Nhà thờ Đức Bà Paris (Pháp). Vật liệu xây dựng chính là gạch đất nung, mái ngói đất nung, tường trát bằng giấy bồi. Nhà thờ có chiều dài 64,5m, chiều rộng 20,5m và hai tháp chuông cao 31,5m.
Công trình có bố cục mặt đứng đăng đối, chia làm 3 phần. Hai bên là hai tháp chuông cao vút lên, ở giữa là khối thấp hơn được kết thúc bằng đỉnh tường hình tam giác với cây Thánh giá tạo thành điểm nhấn. Phần lớn các cửa đi và cửa sổ trên mặt đứng chính đều sử dụng hình thức vòm cuốn nhọn Gothique điển hình.
Riêng ở phần giữa có một cửa sổ tròn hình hoa, bên trên dưới cây thánh giá có một mặt đồng hồ cũng hình tròn. Theo phân vị và hệ thống cửa trên mặt đứng thì hai khối tháp chuông hai bên có chiều cao 5 tầng và khối giữa cao 3 tầng. Các trang trí cửa sổ và cửa đi trên mặt đứng theo hình thức Gothique nhưng vừa phải, không quá cầu kỳ, rườm rà.
Trải qua hơn 100 năm cùng những thăng trầm của thời gian và cả chiến tranh, Nhà thờ Lớn vẫn tồn tại và là một trung tâm hoạt động Công giáo của thủ đô và các vùng phụ cận. Hiện nay, Nhà thờ Lớn đang được tu bổ, sơn lại.
Phần lớn công tác tu bổ đã hoàn thiện, các phần tường phía trong và sau Nhà thờ Lớn đã được sơn lại. Còn ở mặt đứng của công trình, hiện nay mới đang dựng giàn giáo và quây lưới an toàn để các công nhân làm việc.
Về tổng thể, công trình mang phong cách kiến trúc Gothique châu Âu, nhưng lại có sự kết hợp với kiến trúc bản địa, thể hiện ở hệ thống mái ngói đất nung, hệ thống trang trí nội thất đậm chất truyền thống Việt Nam. Và do đó, nó là sản phẩm của sự giao lưu văn hoá Đông - Tây hết sức đặc sắc.
Công trình được coi là kiến trúc Nhà thờ tiêu biểu, và là một trong những nhà thờ Công giáo đẹp nhất của Hà Nội và cả nước. Nhà thờ Lớn cũng là công trình đánh dấu một giai đoạn phát triển đô thị đặc biệt của Hà Nội và là kiến trúc tiêu biểu của Thủ đô.
Phần tường phía bên trong của Nhà thờ Lớn đã được sơn lại màu mới, mang tông xám chủ đạo.
Nguyên thuỷ, nhà thờ có tên là “Nhà thờ chính toà Thánh Giuse” (thánh Giuse là cha nuôi của chúa Giêsu). Hiện nay công trình có địa chỉ tại số 40 phố Nhà Chung, Hà Nội, nằm liền kề với toà Tổng giám mục Hà Nội và nhiều cơ sở Công giáo khác.
Hai tháp chuông nhà thờ có bộ chuông gồm 5 quả chuông, với 1 quả chuông lớn và 4 quả nhỏ, được kết nối với đồng hồ để báo khắc, báo giờ. Trước Nhà thờ có một quảng trường nhỏ với tượng Đức Mẹ, làm tăng thêm giá trị cảnh quan cho công trình.
Công trình Nhà thờ mới trên nền chùa cũ được Giáo hội Công giáo cho xây dựng bằng gạch thay thế cho kiến trúc cũ bằng gỗ, trong khoảng từ năm 1884-1886, trong bối cảnh Hà Nội chuyển hình thái sang đô thị mới kiểu phương Tây. Công trình được khánh thành vào dịp Giáng sinh năm 1887.
