采用了穹顶覆盖的集中式形制，重建后的万神庙是单一空间、集中式构图的建筑物的代表，它也是罗马穹顶技术的最高代表。万神庙平面式圆型的，穹顶直径达43.3米，顶端高度也是43.3米。按照当时的观念，穹顶象征天宇。穹顶中央开了一个直径8.9米的园洞，可能寓意着神的世界和人的世界的某种联系。从园洞进来柔和漫射光，照亮空阔的内部，有一种宗教的宁谧气息。穹顶的外面覆盖着一层镀金铜瓦。（公元8世纪时，教皇格里高利三世（GregoryⅢ）用铅瓦覆盖）
穹顶的材料有混凝土，有砖，混凝土用浮石作骨料。大概是先用砖沿球面砌几个大发券，然后才浇筑混凝土的。这些发券的作用是，可以使混凝土分段浇筑，还能防止混凝土在凝结前下滑，并避免混凝土收缩时出现裂缝。为了减轻穹顶重量，越往上越薄，下部厚5.9米，上部1.5米。并且在穹顶内面做五圈深深的凹格，每圈28个。
墙厚6.2米，也是混凝土的。每浇筑1米左右，就砌1层大块的砖。墙体内沿圆周发8个大券，其中7个是壁龛，一个是大门。龛和大门也减轻了基础的负担。基础深4.5米，底厚7.3米。基础和墙的混凝土用凝灰岩和灰华石作骨料。
万神庙门廊高大雄壮，也华丽浮艳，代表着罗马建筑的典型风格。它面阔33米，正面有长方形柱廊，柱廊宽34 米，深15.5 米；有科林斯式石柱16 根，分三排，前排8 根，中、后排各4 根。柱身高14.18米，底径1.43 米，用整块埃及灰色花岗岩加工而成。柱头和柱础则是白色大理石。山花和檐头的雕像，大门扇、瓦、廊子里的天花梁和板，都是铜做的，包着金箔。直径为43.4米的万神庙大圆顶的世界纪录，直到1960年才被在罗马所建的直径达100米的新体育馆大圆顶打破。
外墙面划分为3层，下层贴白大理石，上两层抹灰，第三层可能有薄壁柱作装饰。下两层是墙体，第三层包住穹顶的下部，所以穹顶没有完整地表现出来。这大概是为了：第一，减少穹顶的侧推力的影响；第二，把墙加高，体型比较匀称；第三，当时还没有处理饱满的穹顶的艺术经验，也没有这样的审美习惯。
神庙本身正面也呈长方形，平面为圆形，内部为一由8 根巨大拱壁支柱承荷的圆顶大厅。这个古代世界最大的穹顶直径43.3 米，正中有直径8.92米的采光圆眼，成为整个建筑的唯一入光口。大厅直径与高度也均为43.3米，四周墙壁厚达6.2 米，外砌以巨砖，但无窗无柱。据说，万神庙是第一座注重内部装饰胜于外部造型的罗马建筑，但原有部分青铜与大理石雕刻失之于外国掠夺或移用于后建的罗马建筑，外部的瑰丽红石也已不翼而飞，失去昔日的风采。现唯神庙入口处的两扇青铜大门为至今犹存的原物，门高7米，宽而厚，是当时世界上最大的青铜门。
