Nhà thờ Tam Đảo được người Pháp xây dựng vào khoảng những năm 1906 – 1912. Ban đầu nhà thờ được xây dựng theo hình dáng nhà sàn lợp lá, đến năm 1937 được xây dựng lại to đẹp và kiên cố hơn với vật liệu bằng đá, gạch, thép.

Nhà thờ chính được thiết kế không có trụ, mái vòm có diện tích rộng 12m x 22m, gian cuối 2 tầng, tầng trên là gian nhạc ca đoàn, liền kề là gian tháp chuông cao 18m. Các vòm sau của ban thờ đều lắp kính màu vàng, tím, trắng. Trần nhà thờ có hình vòm tròn, trên lợp ngói cỡ lớn, tường phía ngoài không trát, chỉ bắt mạch theo viên đá. Tường trong nhà thờ trát vữa xi. Dọc theo hai bên thánh đường được bố trí từng khoang nhỏ rộng 2m để treo 14 Đàng Thánh giá. Bên cạnh bậc lên xuống nhà thờ chính có tường xây cuốn hình cánh hoa to đựng nước phép, được nguồn nước sạch ngầm trong núi chảy vào.

Theo lưu truyền, trong nền móng nhà thờ có đặt mẩu “Xương Thánh” làm viên “Đá Thánh” do Toà thánh La Mã ban, ý chỉ sự vĩnh hằng và linh thiêng.

Trong kháng chiến chống Pháp, thực hiện chính sách tiêu thổ kháng chiến của cách mạng Việt Nam. Nhân dân đã di tản khỏi thị trấn. Mọi biệt thự tại Tam Đảo đều bị phá huỷ. Riêng nhà thờ được Bác Hồ ra chỉ thị phải giữ nguyên vẹn, không được xâm phạm vào tín ngưỡng của dân. Nhờ vậy nhà thờ Tam Đảo còn tồn tại đến ngay nay.

Sau năm 1945, nhà thờ được sử dụng vào mục đích khác. Để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt tín ngưỡng của nhân dân và tạo cảnh quan cho du lịch, ngày 2/8/2007 UBND tỉnh Vĩnh Phúc đã quyết định thu hồi và bàn giao nhà thờ cho Ban hành giáo xứ đạo Vĩnh Yên quản lý, đồng thời xây dựng, tôn tạo lại khu nhà thờ với tổng diện tích là 1.850m².

Bằng nguồn kinh phí do giáo dân đóng góp, cùng sự ủng hộ của các ban, ngành và chính quyền địa phương, nhà thờ Tam Đảo đã được tu sửa, phục hồi nguyên trạng ban đầu như: kè các bờ đá, sửa chữa những chỗ hư hỏng, khôi phục tháp chuông,...

Nhà thờ Tam Đảo hiện nay không chỉ là nơi sinh hoạt tín ngưỡng của giáo dân, mà còn là một di tích mang đậm dấu ấn lịch sử, một địa chỉ tham quan của du khách thập phương khi đến với Tam Đảo.