Phát Diệm có nghĩa là phát sinh ra cái đẹp, tên Phát Diệm do Nguyễn Công Trứ đặt. Nhà thờ được xây dựng trong suốt thời gian 24 năm liên tục, với trình độ kỹ thuật và điều kiện giao thông của những năm cuối thế kỷ 19 thì chỉ việc vận chuyển hàng nghìn tấn đá, có những phiến nặng 20 tấn, hàng trăm cây gỗ lim về tới Phát Diệm để xây nhà thờ cũng là một kỳ công. Kim Sơn vốn là vùng đất mới khai khẩn, trước đây rất lầy lội, để xử lý độ lún của khu đất trước khi xây dựng người ta đã chuyển cả một quả núi nhỏ cách 40km về Phát Diệm, khách về thăm nhà thờ còn thấy núi Sọ, đấy chính là một phần của trái núi đã được dân rời về Phát Diệm

Được xây dựng trong gần 30 năm (từ 1875 – 1899) bởi linh mục Phêrô Trần Lục (Linh mục giáo phận Phát Diệm từ năm 1865) mô phỏng theo những nét kiến trúc đình chùa truyền thống của Việt Nam, nhà thờ Phát Diệm là công trình kiến trúc độc đáo và duy nhất không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới.