Высокое здание из красного кирпича, возведенное по проекту тверского архитектора Алексея Жоголева, получившего за свой проект премию «За лучшее произведение архитектуры», вознеслось в историческом центре города, рядом с Волгой, на том самом месте, где когда-то стоял прежний храм, разрушенный в 1974 году. В конце XIX века, здесь, на Миллионной улице (ныне — Советская), по соседству друг с другом стояли католическая и лютеранская церкви и мечеть, из которых в первозданном виде до наших дней сохранилась лишь последняя.

В силуэте строения, при всей современности его облика, можно угадать элементы готики. Здание в плане представляет собой латинский крест с трехгранными завершениями алтарной части и поперечных нефов. Главный фасад с правой стороны фланкирован высокой звонницей, на которой пока еще нет колоколов.

Необыкновенное впечатление производит интерьер — очень светлый, благодаря белому цвету стен и обилию окон, и удивительно высокий. Главным акцентом является огромное распятие в алтарной части. В правой части поперечного нефа установлена красивая статуя Божией Матери. Стояния Крестного Пути выполнены в виде позолоченных рельефов. Таким же образом решены изображения Тайной Вечери и портрет инициатора строительства о. Ричарда Масина в левой части поперечного нефа. Пол и престол выполнены из цветного мрамора.
Слева к алтарной части примыкает двухэтажное приходское здание, в том же стиле, что и храм. Выходящий фасадом непосредственно на улицу бывший приходской дом (в XIX — начале XX веков, в последние годы — часовня), построенный из дерева, в настоящее время обкладывается снаружи кирпичом, что позволит ему органично влиться в ансамбль. В целом тверской храм является одним из красивейших современных католических храмов, причем не только в России.