Theo nhiều tài liệu, hơn trăm năm trước, khu vực này là rừng bằng lăng (dân địa phương gọi là mằng lăng). Năm 1892, nhà thờ được xây dựng nên người dân gọi luôn là nhà thờ Mằng Lăng. Nơi đây còn giữ mặt bàn tròn đường kính đến 1,7 m bằng cây gỗ mằng lăng ngày mới xây dựng.
Ký họa của KTS Trần Xuân Hồng
Sân nhà thờ có hầm nhỏ nằm trong lòng một quả đồi nhân tạo phủ xanh cây cỏ. Trong hầm là “bảo tàng” của nhà thờ với nhiều bức điêu khắc, hình ảnh, câu chuyện về Andre Phú Yên – vị tử đạo tiên khởi VN năm 1644, được Giáo hoàng phong Á thánh năm 2000. Lọn tóc của ngài hiện lưu giữ tại đây. Đặc biệt, ở đây còn có cuốn sách Phép giảng 8 ngày do giáo sĩ Alexandre de Rhodes (cha Đắc Lộ) biên soạn. Đây là bản in tại Rome, Ý vào năm 1651 bằng tiếng La tinh và chữ Quốc ngữ rồi mang sang VN để sử dụng giảng đạo.
Ký họa của họa sĩ Trần Bình Minh
Nằm trong khuôn viên 5.000 m2, nhà thờ Mằng Lăng mang phong cách Gothic rõ nét. Cụ thể, lối vào tổ chức dạng tam quan, các cửa vào giật cấp thu nhỏ đồng dạng (tạo chiều sâu). Kính màu và cửa sổ hoa hồng (hình tròn nơi mặt tiền), khung vòm nhọn…
Bên trong thánh đường – ký họa của họa sĩ Trần Bình Minh
Hành lang với vòm nhọn đặc trưng kiến trúc Gothic – ký họa của họa sĩ Trần Bình Minh
Bảo tàng của nhà thờ nằm trong lòng một quả đồi nhân tạo – ký họa của KTS Linh Hoàng
Ký họa của KTS Phùng Thế Huy
Ký họa của KTS Nguyễn Khánh Vũ
Nhà thờ nhìn từ trên cao – ký họa của KTS Nguyễn Khánh Vũ
Qua nhiều lần tu sửa, hai tháp chuông và thánh giá ở mặt tiền vẫn được giữ như lúc ban đầu. Rêu phong, nắng mưa, vết nứt bong tróc trên tường theo thời gian càng làm tăng nét cổ kính của nhà thờ. Trên vòm cửa, cột nhà của công trình có đắp nổi họa tiết hoa văn trang trí châu Âu. Cửa gỗ nhà thờ lại chạm khắc gỗ truyền thống VN.