聖心堂原佔地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。
教堂建築總面積為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，石室聖心大教堂1861年耗資40萬法郎建立，可與聞名世界的法國巴黎聖母院相媲美。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築之一，東南亞最大的石結構天主教建築，也是全球四座全石結構哥特式教堂建築之一（另外三座是巴黎聖母院、威斯敏斯特教堂、科隆大教堂）
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