Nhà thờ Mằng Lăng được xây dựng trong khuôn viên 5.000 m2, theo lối kiến trúc Gothic. Trên đỉnh của nhà thờ là hai tháp chuông hai bên, ở giữa là thập tự giá, biểu tượng của thánh đường. Mặt tiền là những lối vào hình mái vòm, các cửa sổ hình búp măng xung quanh phía trên tường bao bọc nhà thờ. Không chỉ mang phong cách kiến trúc xuất xứ châu Âu, nhà thờ Mằng Lăng còn có những họa tiết chạm trổ tinh xảo, toát lên chất mộc mạc văn hóa Việt trên những cánh cửa chính bằng gỗ.
Khuôn viên nhà thờ thoáng mát, rợp cây xanh, trước sân có một khu hầm nhỏ, được xây dựng khá kỳ công trong lòng một quả đồi giả. Bên trong hầm lưu giữ cuốn sách "Phép giảng tám ngày" và nhiều bức điêu khắc chạm trổ kể lại những câu chuyện về Chân Phước Anre Phú Yên(1625-1644), là một trong những vị quan thầy của giáo lý viên và giới trẻ Công giáo thế giới.