Tọa lạc trên khuôn viên rộng trên 6.201,6m², Nhà thờ Chánh Tòa Thái Bình được thiết kế theo lối kiến trúc Gothique kết hợp với phong cách kiến trúc Phương Đông pha chút hiện đại, tạo thành một tổng thể hài hòa. Vì thế, ngôi thánh đường mới vẫn giữ được nét truyền thống của một ngôi nhà thờ Phương Tây, với hai tháp đối xứng, đồng thời, cũng mang phong cách Phương Đông với mái cong, cột tròn, con sơn được cách điệu thành dạng khối…

Ngôi thánh đường được thiết kế hai tầng, có tổng chiều dài là 81m, rộng 24,8m, chỗ rộng nhất là 34,2m, diện tích nhà thờ là 2.260m², hai hành lang chạy dài với chiều rộng 3m. Tầng trên của nhà thờ được dùng để cử hành Thánh Lễ và các nghi thức phụng vụ. Ngôi thánh đường khoác trên mình chiếc áo màu kem sáng, thiên về màu phù sa, gợi nhắc về miền quê lúa của lưu vực sông Hồng và sông Trà Lý. Thánh đường nhà thờ Chánh Tòa mới được xây dựng trên nền đất và hướng trục tâm của ngôi nhà thờ trước. Tuy nhiên, nó đã được dịch chuyển lên phía đầu nhà thờ khoảng 30m, để tạo một khoảng không gian rộng lớn phía cuối nhà thờ trở thành quảng trường trong những dịp lễ đại triều.