Proposto em estilo renascentista, o projeto do arquiteto João Battista Giovenale emprega as antigas ordens e formas clássicas da arquitetura romana adotando, porém, maior liberdade nas medidas. A posição privilegiada do local onde foi edificada a nova Catedral sugeriu à Giovenale a ideia de dar à cúpula um volume excepcional para que pudesse chamar a atenção dos fiéis, ainda que vista de pontos longínquos, razão pela qual, majestosa cúpula domina o prédio dando-lhe um cunho de grandiosidade e beleza ao expressar os valores ideais que a catedral simboliza.

O prédio da Catedral Metropolitana de Porto Alegre mede 80 m de comprimento e 47 m de largura nas absides laterais; a cúpula atinge 65 m de altura e 18 m de diâmetro; as torres chegam a 50 m de altura e a fachada principal a 30 m. As estátuas dos Patriarcas, que se destacam no coroamento do corpo central do prédio e nas torres, medem 3 m de altura. No interior das torres encontram-se seis sinos, dos quais um pesa 3.800 quilos. Em seus espaços interiores, a Catedral pode abrigar cerca de 1.100 pessoas sentadas.

O Salão Nobre mede 47 m de largura por 30 m de comprimento. A fim de aumentar o aspecto de solidez da base do monumento, à semelhança das antigas construções dos Incas do Peru, as paredes externas são em grossos cantos de granito, em pedra tosca, cada uma com 1,30 m de altura, sendo que as traves das portas principais medem cerca de 4 m de comprimento. As gigantescas cabeças de indígenas, que servem de base à Catedral, representam a fase primitiva da cultura e da arquitetura da América Latina, sobre a qual se ergueu a nova cultura e a nova fé.

O projeto dos mosaicos do frontispício da Catedral, elaborado sob a coordenação de Dom Antônio Cheuiche foi executado pela Academia de Mosaicos do Vaticano. O material empregado, tesselas de cristal de Murano, possui cerca de dez mil nuances de colorido, destacando-se o azul de cobalto, o azul turquesa e o marinho, habilmente mesclados com o dourado.

As cenas representadas são de criação do pintor italiano Miguelangelo Bedini com supervisão de uma Comissão Arquidiocesana de Arte Sacra, presidida pelo Bispo Auxiliar Dom Antônio do Carmo, a quem se deve a representação de figuras e fatos da história e evangelização do Rio Grande do Sul e a inclusão de paisagens características: no painel central encontra-se a Mãe de Deus, entronizada; no painel à direita, São Francisco de Assis, primeiro orago do primitivo núcleo populacional, portando em uma das mãos uma capelinha que representa a primeira igreja situada às margens do Guaíba e a ele dedicada; aparecem no mesmo conjunto os três mártires rio-grandenses: Roque Gonzales, Alfonso Rodrigues e Juan Del Castillo, santos ligados à história do Rio Grande do Sul; no painel à esquerda, São Pedro, padroeiro da antiga Província do Rio Grande do Sul, São Pio X, criador da Arquidiocese de Porto Alegre, e Santa Teresa de Ávila, com um pequeno forte em uma das mãos; nos painéis menores, colocados acima das portas laterais, a Anunciação e a Crucificação e, no coroamento da fachada, aparece no tímpano, o Pantacrator, - Cristo que julga e abençoa, ladeado pelos Tetramorfos que são símbolos dos quatro evangelistas.

Nos interiores do templo, o altar, os ambões, a cátedra do Arcebispo e a Via-Sacra são obras do escultor Giulio Tixe. As portas, do escultor Marcelino Schmitz. Os vidros da porta principal são de autoria de Evaristo Iglesias. No presbitério, a pintura que emoldura a imagem da Padroeira, é criação do artista Aldo Locatelli. Em suma, a Catedral Metropolitana de Porto Alegre é uma grandiosa obra de arte, que serve de enlevo aos orantes e de encantamento a quantos a visitam.