Собор выполнен из камня, трехнефный, зального типа, с вытянутой гранёной апсидой. Памятник имеет 67 метров в длину и 23 метра в ширину. Основное пространство близко по объёму к кубу, но вокруг собора было пристроено множеством часовен, из-за чего его объём имеет более сложную конфигурацию. Готическую вертикальность здания усиливает высокий щипец крыши. Башня на главном фасаде имеет барочное завершение и расположена асимметрично, так как вторая колокольня осталась недостроенной. В интерьере высокие пучковые колонны поддерживают стрельчатые арки и свод с готическими нервюрами; стены и свод покрыты фресками. В интерьере и внешнем декоре здания сохранилось множество произведений мемориальной скульптуры.

Строительство Латинского костёла начал львовский архитектор П. Штехер в 1360 году, продолжали работы И. Гром и А. Рабиш, закончил строительство в 1479 году Г. Штехер. В 1760—1778 годах велись реставрационные работы проведенные по проекту и под руководством львовского зодчего П. Полейовского, который значительно изменил внешний вид здания, придав ему популярные тогда формы архитектуры барокко. В 1892—1930 годах с перерывами велись реставрационные работы с целью вернуть памятнику первоначальный готический облик (архитектор М. Ковальчук, профессоры В. Садловский и Т. Обминский)

На площади вокруг римо-католического Кафедрального костёла долгое время хоронили умерших. Только в 1765 году все погребения, кроме часовни Боимов, а также надгробия и склепы были снесены с площади, а дальнейшие захоронения на ней — запрещены. Остался ряд часовен XVI, XVII и XVIII веков, которые были пристроены к основному объёму Латинского собора:

• часовня Милевских, так же называемая часовней архиепископа Юзефа Бильчевского. Построена в XVI веке, изменена в стиле модернизма в 1904 году;
• часовня Богоматери Ченстоховской с мраморным надгробием коменданта Львова павла Гродзицкого (умер в 1634 году);
• часовня Распятия, в стиле рококо, XVIII век, с реликвиями Якуба Стрепы, архиепископа львовско-люблинского (умер в 1411);
• часовня Замойских с двумя алебастровыми склепами архиепископов Яна Замойского (умер в 1614) и Яна Тарновского (умер в 1669);
• часовня Бучацких с копией картины Петера Пауля Рубенса и образом «Сын марнотратный» в манере Луки Джордано;
• часовня Наисвятейшего сакрамента, в стиле рококо, XVIII век, с фресками Станислава Строинского;
• часовня Богоматери;
• часовня Кампианов, самая известная из часовен Латинского собора.

Все витражи были выполнены в конце XIX века на основании конкурсов известными художниками.

• С левой, северной стороны находятся витражи:
  • «Хиротония Григория из Сянока на архиепископа львовского» работы Тадеуша Попеля.
  • «Венчание Яна Казимира» Юзефа Меххофера.
  • «Основатель собора Казимир Великий» Эдуарда Лепшего.
• В среднем окне над главным алтарём есть витраж «Святейшая Госпожа Мария, увенчанная польской короной», выполненный в 1902 по проекту Е.Лепшего.
• С правой, южной стороны есть пять окон с витражами:
  • «Оборона Львова Святым Яном из Дукли» Станислава Качора Батовского.
  • «Святые покровители Польши» Яна Матейко и Томаша Лисевича.
  • «Святое семейство» Фердинанда Лауфбергера.
  • «Богоматерь Подкаменецкая» Тадеуша Крушевского.
  • «Святой Костантин и Святая Елена» Юлиана Макаревича.