清光绪四年（1878年）始建，光绪二十六年（1900年）被义和团焚烧，1912年用清廷赔款和法国巴黎传教会集资重新修建。
现在的这座南关天主教堂是1912年重新建造的。整个建筑分东、西两个院落，大教堂在东院的北端，南北长66米，宽17米，占地面积达1100平方米，属于“歌德式”建筑，全部用青砖雕造，它的顶端是高高矗立的尖塔，高45米。教堂前面是一大两小三扇门，两侧有成排的尖拱小窗，内有二十四根石柱支撑，穹隆部位镶嵌着巨大花纹，教堂可容一千五百人。教堂之外有森严的高墙围绕。
位于沈河区乐郊路40号，始建于清光绪四年（1873年），为法国传教土方若望所建，光绪二十六年（1900年）被义和团焚毁，现存建筑是由南满教区法国苏悲理斯主教利用《辛丑条约》中的庚子赔款在原址上重建的。
义和团是中日甲午战争之后兴起的民间武装组织，以“扶清灭洋”为宗旨。光绪二十六年（1900年），义和团运动发展到了盛京，6月30日，义和团在0师刘喜禄和张海的率领下首先烧毁了大东门外的英国教堂，接着又烧毁了洋人办的教会医院和讲书堂。最后他们包围了南关法国天主教堂。主教纪隆指挥教徒负隅顽抗，义和团连攻几日，都没能攻破。7月3日，在清军炮火的支援下，义和团终于将教堂摧毁，将法国人纪隆主教、5名法国神父、两名中国神父、2名修女、400余名信徒全部烧死在教堂内，造成历史最大的“沈阳教难”。
现在这座天主教堂是1912年重建的，整个建筑分成东、西两个院落，教堂在东院的北端，南北长66米，东西宽17米，高40米，建筑面积1100平方米，可同时容纳1500人。教堂属于典型的哥特式建筑，顶部是两个方锥形的尖顶，装饰着十字架。教堂前面是三扇拱门，两侧有成排的小窗，内有二十四根石柱支撑，穹窿镶嵌着巨大的花纹。教堂的西侧有一座四层楼房，占地面积1万余平方米，建筑面积2，700余平方米，房屋近100间，这是1926年建筑的主教府。
沈阳是东北地区的天主教中心。从1838年到1949年的100多年间，沈阳教区的七名主教都是法国人，中国神甫处于附属地位。1949年9月20日罗马教廷首次任命中国人为沈阳教区主教、东北教区总主教。沈阳天主教堂1988年被列为辽宁省文物保护单位。
2013年5月，国务院（国发[2013]13号）公布南关天主教堂（沈阳天主堂）为全国重点文物保护单位。
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