教堂原建築佈局為拉丁十字平面，具中殿及兩個側殿，教堂內部具精巧的裝飾，經歷1835年的火災後，教堂後部遺址於1837至1854年被用作埋葬教士的墓地。

1990年開始，澳門政府對天主之母教堂遺址進行考古、修復及再利用工程，由葡國建築師韋先禮負責策劃和設計，多位考古學家、歷史學家和博物館學家參加工作，工程內容包括在牌坊背面建造一座與原唱詩台高度一致的鋼架結構瞭望台，並於遺址另一端的地下，加設一博物館(天主教藝術博物館和墓室)作展示之用，經過五年考古、勘察及建造，建成一間博物館，於1996年10 月落成。