圣玛利亚大教堂完美融合了传统的天主教信仰与现代技术，已在旧金山的城市风光之中成为独树一帜的标志性建筑。设计师Pietro Belluschi and Pier Luigi Nervi建筑师事务所采用了最顶级的产品线工程，世界各地的游客以及各个宗教团体均为教堂的外形所吸引，纷拥而至。
圣玛利亚大教堂的建筑设计从十字架上获得灵感，既很注重水平方向的线条，也重视垂直方向的。随着人们的眼光被头顶上方无所不在的宏伟圆屋顶所吸引，心灵也必将遥望上苍，膜拜神灵。
在现代工程技术的辅助下，旧金山圣玛利亚大教堂的艺术特质以平衡而简洁的设计使天堂和凡间之间变得和谐统一。双曲抛物面创造出优美的流动之感，曲面向上延伸直至190英尺（57.9米）处，四个角落在这里相交成十字形。主教座堂占地255平方英尺（23.7平方米），顶端镶有55英尺（16.8米）高的金色十字架。
从平面设计上看，塔门从每个角落都支撑着19层高的圆屋顶，每个塔门均可承受一千万磅（4535.9吨）的压力。塔门最窄端的周长仅有24英尺（7.3米），深深嵌在90英尺（27.4米）深的基岩之中。构成圆屋顶内侧的预制三角形镶板数量惊人，多达1680块，具有128种不同的三角形尺寸。它们将所有的结构重量都转移到地面上，同时巨大的窗框也能将旧金山的城市风光框在其中。为唤起这座具有历史使命的建筑的记忆，建筑师在地面上一概采用了红砖。
借鉴天主教堂的传统渊源，圣玛利亚大教堂的设计以及教堂给人带来的体验的重要组成部分就是遍布建筑四面八方的彩色玻璃。在结构的顶部平面，四条玻璃窗带改变方向，水平延伸，形成了一个由彩色玻璃拼成的十字架。
五彩缤纷的光线透过窗户洒入教堂内部，更凸显出周边城市的美丽风光，这是为了提醒教众在人世间所担负的责任。更多的艺术作品悬挂在大教堂的祭坛上方：Richard Lippold依靠动力学原理设计的雕塑用金线悬挂在距地面15层楼高的位置上。
1965年8月，该项目破土动工，两年后，宗座代表Luigi Raimondi为其主持了奠基礼。工程于1970年竣工。
