Byggnaden har ett rektangulärt treskeppigt långhus, kor i öster med rakt avslut, ett kraftigt torn i väster och två smäckra torn i öster. På sidan ligger ett större och ett mindre kapell. Över mittskeppet reser sig en väldig vind, som under medeltiden och senare användes som lagerutrymme. På sydsidan ligger en förhall, stora kapellet/Mariakapellet. Det uppfördes omkring 1300 och ett av vårt lands vackraste gotiska rum.
Kyrkan är byggd av grå finkornig kalksten, som brutits i stenbrotten norr och öster om Visby. På senare tid har skadade partier av fasadmurverket ersatts med nyhuggen sten. I mitten av 1800-talet förnyades murfoten och sockellisten runt hela kyrkan.
Ingångar
Kyrkogården omgavs fram till mitten av 1800-talet av en hög stenmur. En av ingångarna som byggdes redan på medeltiden står vid norra kyrkogatans mynning. Den är uppförd av putsad kalksten med branta trappgavlar i norr och söder och har tak av enkupigt tegel. På stigluckans utsida sitter det på båda sidorna om öppningen fortfarande kvar tre dörrhakar, som visar att porten tillslutits med två dörrhalvor en gång i tiden.
På södra sidan vid Ryska gränd finns en ingång kallad södra stigluckan.
Kyrkan har fem ingångar, två i söder, två i norr och en i väster. Dessutom finns en särskild ingång till västtornet på norra sidan.
Tornportalen, västtornets port, är rundbågig. Den behöll fram till 1821 sin ursprungliga form med odekorerat bågfält över porten, där det senare sattes in ett fönster.
På tornets norra sida - med tröskeln i höjd med sockelns överkant och med en stentrappa framför - finns en liten anspråkslöst rundbågig ingång till en murtrappa, som leder från långhuset upp till tornets övre våningar. Långhusets nordvästra portal har ett säreget utseende beroende på ombyggnader vid åtminstone två tillfällen i gammal tid. Idag används den nordvästra porten mycket sällan.
Den andra ingången på norra sidan leder in i ett förrum, som förbinder kyrkan med sakristian. Ingången omges av smäckra pelare med de fyra evangelisternas symboler på de övre delarna, kapitälen. I det spetsbågiga dörröverstycket ses en bild av S:t Nicolaus.
Den befintliga ingången på södra sidan kallas i äldre källor Bruddörren. Namnet har den säkerligen fått på grund av sin roll i samband med den medeltida bröllopsritualen. Enligt denna skulle vigseln äga rum utanför kyrkan, och den skedde då vanligen vid en särskild ingång, bruddörren eller brudporten. Sedan följde brudmässan inne i kyrkan. Brudportalen skjuter fram en meter framför fasaden och täcks av ett sadeltak. En av täckstenarna på sadeltaket utgörs av en gravstensdel med rester från såväl 1400- som 1600-tals text. Över den 233 cm breda dörröppningen finns ett bågfält som är dekorerat med Agnus Dei inom en krans, som hålls av två änglar.
Kyrkans huvudingång är porten på Stora kapellets sydsida. Formatet, den överdådiga utsmyckningen och den högtidliga inramningen med ädikulor och skulpturer som täcker strävpelarna, understryker portalens betydelse. Den är en rikt utsmyckad höggotisk portal. Delar av utsmyckningen har dock sitt ursprung i den renovering som arkitekten och konstnären Axel Herman Hägg ansvarade för i slutet av 1800-talet.
Stora kapellet
En från kyrkan helt avvikande fasadarkitektur kommer till uttryck i Stora kapellet. Mycket av utsmyckningen har sitt ursprung från sekelskiftets restaurering - innan den såg sydfasaden helt annorlunda ut.
Till det mest fascinerande hör de skulpterade vattenkastarna på sydsidan. Förutom den rent praktiska uppgiften att skydda fasad och murfot för regn- och smältvatten från taken har de också haft ett avvärjande syfte. Genom sitt skrämmande utseende skulle de skydda kyrkan mot illasinnade demoniska makter. Styrkan framställs dels av det ensamma lejonet i fullt språng mot en osynlig angripare och dels i formen av en bunden djävul.
På pelarna som finns på varsin sida om stora huvudingången finns två nischer - i den västra en staty av Jungfru Maria och i den östra en staty av St:a Katarina. På mitten av fasaden rakt ovanför porten en staty av den tronande Kristus omgiven av knäböjande änglar.
Tornen
Västtornet. Dess ursprungliga sockel är bevarad på den sida som vetter mot Stora kapellet. Den visar samma profil som tvärskeppets och långhusets och det förefaller därför klart att tornet ingått i den ursprungliga planen för basilikan (omkring 1100-1200-talet). Tornet kröns av en delvis kopparklädd trähuv i tre våningar som byggdes 1746. Klockgluggarna befinner sig i tornets översta våning, två åt vardera norr, väster och söder. Västtornet inklusive tornhuv och spira når en höjd av 58 meter.
Östtornen. Omkring 1242, i samband med tillkomsten av ett nytt kor, skall östtornen ha kommit till. Under perioden 1362-1423 förhöjdes tornen och idag når tornen en höjd av 54,5 meter. De båda östtornen är varandra mycket lika såväl invändigt som utvändigt. Det nordöstra upptar en något större yta, men i övrigt skiljer de sig egentligen endast i fråga om detaljer. Tornen är åttkantiga och innehåller sju avdelningar över varandra. I det nordöstra tornets bottenvåning finns ett rum där man förvarar kyrkans silver och textilier. De båda östtornens huvar ansluter i allmänna drag till västtornets men de är arkitektoniskt mera genomarbetade, elegantare i formen och rikare dekorerade. De byggdes 1761 efter ritningar av skeppsbyggmästaren Johan Reinicke i Visby.
Östgaveln
På östgaveln är en Kristusfigur placerad. Den tillkom vid sekelskiftets restaurering. Figuren är huggen i England efter A H Häggs anvisningar och materialet är engelsk sandsten. Vid samma tid ersattes den gamla hissbommen som också sitter på östgaveln. Den som sitter där idag är av ek och också den skulpterad efter A H Häggs ritningar.