Nhà thờ Cửa Bắc được xây dựng từ 1925 -1930, dưới thời Đức Cha Pierre Marie Gendreau (Đông) cai quản Giáo Phận, Cha Joseph-Antoine Dépaulis (Cố Hương) coi sóc giáo xứ. Nhà thờ được tọa lạc trên khoảnh đất trải dài theo phố Phan Đình Phùng và góc phố Nguyễn Biểu, cạnh cửa bắc thành Thăng Long nên dân gian cũng quen gọi là nhà thờ Cửa Bắc.
Thuở ban đầu, nhà thờ Cửa Bắc dự định được mang thánh hiệu là Giáo Đường kính Các Thánh Tử Đạo Việt Nam. Nhưng vì khi đó các Đấng Tử vì đạo tại Việt nam mới chỉ được phong chân phước nên Tòa Thánh yêu cầu đổi lại tên là Nữ Vương Các Thánh Tử Đạo. Nhà thờ Cửa Bắc được xây dựng như một sự tri ân, nhắc nhớ tới sáu vị chân phước đã được phúc tử vì đạo tại Hà Nội, đặc biệt là cha Théophane Vénard (Thánh Ven), chịu tử đạo ngoài cổng thành Phía Bắc (1861).
Về mặt kiến trúc, nhà thờ gồm một không gian lớn hình chữ nhật kéo dài với hai hàng cột song song theo hai phía, được chia tương đối thành một không gian đón tiếp nhỏ và một không gian long trọng dành cho việc cử hành thánh lễ, quen gọi là cung thánh.
Giữa hai khu vực này có một không gian chuyển tiếp lớn phía dưới mái vòm, bên phải có một không gian lớn đặt các bàn thờ kính Chúa và các thánh, bên trái là phòng thánh, quen gọi là nhà áo. Không gian nội thất được cấu tạo và trang trí hoàn toàn theo thiết kế nhà thờ châu Âu.
Kiến trúc sư người Pháp, Ernest Hébrard, đã tạo ra một không gian kiến trúc phi đối xứng với một tháp chuông vút cao phía bên sảnh chính. Điều này làm cho nhà thờ Cửa Bắc có được nét đặc biệt so với đa phần các công trình Thiên Chúa giáo theo hình thức đăng đối nghiêm cẩn mà người Pháp thường đã xây dựng ở Việt Nam.
Có người đã cho rằng đây là sáng tạo đặc biệt của Hébrard nhằm tạo sự phù hợp với cảnh quan khu vực, nhưng thực chất điều này chỉ là sự khai thác một cách khéo léo nguyên tắc tổ hợp nhà thờ thời Phục Hưng. Chính nhờ vậy mà nhà thờ Cửa Bắc, ngoài gác chuông như một điểm nhấn, còn có một mái vòm ở khu vực trung tâm.
Hệ thống mái ngói được kéo suốt từ gác chuông qua mái vòm tới các không gian chính và phụ khiến cho ta thấy một cảnh quan quen thuộc như đã từng bắt gặp ở đâu đó trong những ngôi đình, ngôi chùa truyền thống ở các làng quê Việt Nam. Hệ thống cửa sổ, cửa lấy ánh sáng và thông gió đều được xử lý che nắng và chống mưa hắt bằng mái Thái, ngoại trừ các cửa trang trí và lấy ánh sáng lớn được lắp kính cản quang. Việc tận dụng tối đa hệ thống cây xanh cũng làm cảnh quan thêm gần gũi, thân thiện với thiên nhiên.
Sự kết hợp các yếu tố kiến trúc truyền thống phương Đông với những hình thức trang trí nhà thờ Công giáo truyền thống cùng với sự hài hòa của cảnh quan thiên nhiên xung quanh đã tạo nên ấn tượng đẹp về một công trình Thiên Chúa Giáo. Chính vì vậy mà nhà thờ Cửa Bắc vẫn luôn được đánh giá là điển hình cho phong cách kiến trúc kết hợp châu Âu và Việt Nam.
Do nằm gần khu vực có nhiều người nước ngoài công tác và du lịch, nên có khá nhiều người nước ngoài tới dự lễ. Đây cũng từng là nơi Tổng thống Mỹ George Bush và phu nhân Laura Bush từng đến tham dự thánh lễ vào ngày 19/6/2006 nhân dịp APEC tại Việt Nam.
Đã gần một thế kỷ trôi qua, cũng đã qua vài lần tu sửa nhưng đến nay Nhà thờ Cửa Bắc vẫn còn giữ được nét cổ kính, nguyên sơ. Nhà thờ Cửa Bắc là một nhà thờ cổ ở Hà Nội, một công trình kiến trúc có nhiều nét độc đáo, tạo thêm điểm chấm phá trong không gian đô thị Hà Nội.