清光緒四年（1878年）始建，光緒二十六年（1900年）被義和團焚燒，1912年用清廷賠款和法國巴黎傳教會集資重新修建。
現(xiàn)在的這座南關天主教堂是1912年重新建造的。整個建筑分東、西兩個院落，大教堂在東院的北端，南北長66米，寬17米，占地面積達1100平方米，屬于“歌德式”建筑，全部用青磚雕造，它的頂端是高高矗立的尖塔，高45米。教堂前面是一大兩小三扇門，兩側有成排的尖拱小窗，內(nèi)有二十四根石柱支撐，穹隆部位鑲嵌著巨大花紋，教堂可容一千五百人。教堂之外有森嚴的高墻圍繞。
位于沈河區(qū)樂郊路40號，始建于清光緒四年（1873年），為法國傳教土方若望所建，光緒二十六年（1900年）被義和團焚毀，現(xiàn)存建筑是由南滿教區(qū)法國蘇悲理斯主教利用《辛丑條約》中的庚子賠款在原址上重建的。
義和團是中日甲午戰(zhàn)爭之后興起的民間武裝組織，以“扶清滅洋”為宗旨。光緒二十六年（1900年），義和團運動發(fā)展到了盛京，6月30日，義和團在0師劉喜祿和張海的率領下首先燒毀了大東門外的英國教堂，接著又燒毀了洋人辦的教會醫(yī)院和講書堂。最后他們包圍了南關法國天主教堂。主教紀隆指揮教徒負隅頑抗，義和團連攻幾日，都沒能攻破。7月3日，在清軍炮火的支援下，義和團終于將教堂摧毀，將法國人紀隆主教、5名法國神父、兩名中國神父、2名修女、400余名信徒全部燒死在教堂內(nèi)，造成歷史最大的“沈陽教難”。
現(xiàn)在這座天主教堂是1912年重建的，整個建筑分成東、西兩個院落，教堂在東院的北端，南北長66米，東西寬17米，高40米，建筑面積1100平方米，可同時容納1500人。教堂屬于典型的哥特式建筑，頂部是兩個方錐形的尖頂，裝飾著十字架。教堂前面是三扇拱門，兩側有成排的小窗，內(nèi)有二十四根石柱支撐，穹窿鑲嵌著巨大的花紋。教堂的西側有一座四層樓房，占地面積1萬余平方米，建筑面積2，700余平方米，房屋近100間，這是1926年建筑的主教府。
沈陽是東北地區(qū)的天主教中心。從1838年到1949年的100多年間，沈陽教區(qū)的七名主教都是法國人，中國神甫處于附屬地位。1949年9月20日羅馬教廷首次任命中國人為沈陽教區(qū)主教、東北教區(qū)總主教。沈陽天主教堂1988年被列為遼寧省文物保護單位。
2013年5月，國務院（國發(fā)[2013]13號）公布南關天主教堂（沈陽天主堂）為全國重點文物保護單位。