佘山天主教堂初建于清同治十三年（公元1874年），由法国传教士所建。1894年半山翻建圣母堂和三圣亭（圣心亭、圣母亭、若瑟亭）；1925年重建山顶大堂，1935年落成。大殿东西长56米，南北宽25米，建筑面积为1400平方米。建筑平面呈拉丁式十字形。从殿基到十字架尖顶高为38米，其中到拱顶为17米，到硫璃瓦为22米。大殿设座位3000个，可容纳约4000人，是远东地区最大的教堂。整个建筑平面呈拉丁式十字形，充分体现了建筑美学上右对称中不对称的美感。整幢建筑有“四无”之称，即无钉无木无钢无梁。建筑造型南长北短，东宽西狭，内圆外尖，内石外砖。大殿集多种建筑风格于一体，其拱形、甬道为罗马式，廊柱为希腊式，尖顶为哥特式，橄榄形钟楼为以色列式，东端小圆顶为西班牙式，清水壁和斗角地砖为中国民族式，碧绿色琉璃瓦则为中国宫廷式。大祭台用镶金嵌玉的大理石雕成，祭台与座堂间用汉白玉栏杆分隔，花瓷砖铺地。立“进教之佑圣母托小耶稣”紫铜像。从山脚到山顶沿路建有14座苦路亭，每亭中有一幅耶稣受难浮雕，还有3座圣亭和一个中堂。信徒们到佘山朝圣时，沿着曲折的苦路逐级而上，领略耶稣代人受难的经历。1942年罗马教皇曾将佘山天主教堂封为“圣殿”，成为我国天主教徒朝觐的圣地。
