Nhà thờ được thiết kế xây dựng theo phong cách Châu Âu thế kỉ XVII, lối kiến trúc độc đáo hơn bất cứ nhà thờ nào khác ở Đà Lạt bởi được xây dựng bằng một chất kết dính là vôi, mật mía, tường xây bằng đá chẻ tới ngang bệ cửa sổ và một số vật phụ gia khác. Bố cục kiến trúc nhà nhờ này đã có nhiều điểm cách tân so với các nhà thờ cổ điển phương Tây. Vẫn là dạng mặt bằng chữ thập nhưng tỷ lệ có phần tự do hơn: chiều rộng 11m và chiều dài là 33m. Lối vào chính tách ra làm hai vế thang và nhập lại ở sảnh chính. Đặc biệt, nhà thờ Domaine de Marie không có tháp chuông trân đỉnh như vẫn thường thấy trong kiến trúc của các nhà thờ khác.

Điểm đặc sắc nhất của nhà thờ này là hệ thống mái, có hình dáng tựa như nhà rông của đồng bào dân tộc Tây Nguyên. Toàn bộ nhà thờ luôn được quét vôi màu hồng đậm, tôn lên sự uy nghiêm của một công trình tôn giáo và dưới ánh nắng sớm nhà thờ như sáng rực hẳn lên. Trong nhà thờ có bức tượng Đức Mẹ đứng trên quả địa cầu được tạc theo hình mẫu của phụ nữ Việt Nam, do Jonchère – một kiến trúc sư người Pháp thiết kế.

Phía sau nhà thờ là một quần thể kiến trúc được thiết kế theo kiểu hiện đại với ba dãy nhà 3 tầng của Dòng Nữ tu Bác Ái, bao quanh vườn trong (patio), tường quét vôi màu vàng, mái lợp ngói đỏ. Chính điều đó làm tăng thêm vẻ uy nghiêm, đồ sọ và hấp dẫn cho quần thể kiến trúc này.