L’architecture de l’édifice est de style byzanto-mauresque, en forme de croix du grec.  La façade est décoré par une rosace sculpté, encadré à chaque coté de deux tours carrées. Quatre contres-fort créent des lignes verticales et qui divisent la façade en trois travers et dont le travers central est la plus large, arbitrant le portail principal. Cinq arcade aveugle, e plein cintre rythment le rez de chaussé. La croisée du transept est surmontée d’une grande coupole  flanquée de huit clochetons. Pougnet, écrit: » employer sur la façade flanquée de deux tous, une série d’arcs brisés outre passé, des baies à remplage étoilés et au couronnement de merlons évocateurs ».  

A l’intérieur, sur les cotés de la nef et du transept et au fond du chœur, existe une galerie à l’étage, à laquelle on accède par des escaliers à la jointure de la nef et du transept. Ses deux niveaux sont constitués par une arcature outrepassée qui repose sur des colonnes de marbre à chapiteaux dorés. Les plafonds à caissons, fabriqués à partir de bois venus de l’Europe, sont ornés d’arabesques et de motifs floraux sculptés, peints de diverses couleurs ou dorés. Les pendentifs de la coupole portent des peintures murales représentant les quatre évangélistes. L’ensemble des vitraux a été réalisé par l’atelier parisien de Didron sur des dessins de Pougnet. Le maitre-autel est réalisée après la mort de Pougnet, par l’architecte Gaudet. La statue de marbre de Notre-Dame de Carthage, par Figlia est aujourd’hui dans la cathédrale de Tunis.