Elle même fut construite en 1891. C’est le plus grand ouvrage de l’ensemble des travaux. Elle fait 80m de long sur 24m de large et 18 m de haut, et repose sur 48 colonnes en bois de fer, de 2,4m de pourtour chacune. Dans les deux couloirs on voit 14 hauts-reliefs en pierre reflétant la vie du Christ. La façade de la cathédrale donne sur un lac de 14 400m² de surface, au milieu duquel émerge un îlot où s’élève une statue du Christ.
En 1889, on a ajouté un palais en pierre dédié à la Sainte Vierge. Il mesure 15m de long sur 9m de large. Du plancher aux colonnes, tout est en pierre blanche.
La cathédrale de Phat Diem est un grand ensemble architectural catholique. Elle rappelle à la fois une pagode et un temple vietnamiens. Bien que construite sur un terrain marécageux, elle n’a présenté jusqu’ici aucun signe d’affaissement.