La cathédrale Notre-Dame de Guadalupe est un édifice caractéristique de l'architecture néo-gothique. Le clocher, couronné d'une flèche octogonale, accueille un carillon de 49 cloches. Bien que prévu sur les plans d'origine, il ne fut réalisé que récemment (les travaux s'achevant en 2005), le manque de fonds ayant empêché sa construction avant cette date. Le carillon émit son premier son le 11 septembre 2005.
La cathédrale (dont on ignora le nom de l'architecte jusqu'en 1989 et la découverte de documents permettant d'en attribuer la paternité à Nicholas J. Clayton) est l'unique œuvre de cet architecte à avoir survécu à Dallas.
Bâtie en brique et pierre de taille, la cathédrale reprend le plan traditionnel des églises médiévales (plan en forme de croix latine). La nef est divisée en trois vaisseaux ; elle se prolonge par un large transept et par une abside à cinq pans, sans déambulatoire. L'ensemble est couvert d'une voûte à caissons en arc brisé assez atypique.
La cathédrale conserve de grandes orgues (construites à New York en 1871 et offertes à la paroisse en 1902) et plusieurs vitraux représentant des scènes de l'ancien et du nouveau testament.