Mặt bằng nhà thờ Hiếu Thuận hình chữ nhật, dài 34,3m rộng 10,6m, gồm 9 gian, 5 nhịp, mở đầu là một không gian đón tiếp nhỏ, tiếp theo là không gian cho các giáo dân hành lễ và kết thúc bởi Cung thánh, phía sau Cung thánh có một phòng nhỏ là nơi chuẩn bị cho việc cử hành các thánh lễ.
Mặt chính nhà thờ được bố cục thành năm khối cao 3 tầng tương ứng với 5 gian trong nội thất, khối trung tâm được làm nổi bật bởi độ cao và các hình thức trang trí như cây thánh giá trên đỉnh mái, bảng mạ vàng chữ Hán ghi tên nhà thờ. Hình thức mặt đứng mang dáng dấp Tam quan ở các đình chùa Việt với cách chia ba lối vào, phía trên các tầng tạo hình mái lợp ngói, các góc mái uốn cong theo kiểu đầu đao.
Toàn bộ cấu trúc chính của nhà thờ Hiếu Thuận được cấu tạo bằng gỗ, các hàng cột bằng gỗ lim cao vút đỡ bộ vì kèo kiểu chồng rường – giá chiêng, mái ngói hai lớp kiểu chồng diêm với hàng cửa kính giữa hai lớp mái làm cho không gian bên trong nhà thờ tràn ngập ánh sáng tự nhiên. Các tường bên được tạo lập bởi các cửa lùa bằng gỗ khi cần có thể mở một phần hoặc toàn bộ như trong các đình chùa cổ.
Nội thất nhà thờ Hiếu Thuận nổi bật với khu vực Cung thánh hoàn toàn bằng gỗ chạm trổ, sơn son thiếp vàng lấy cảm hứng từ kiến trúc Baroque với hàng cột mang dáng dấp các thức cổ điển, chính giữa là một Fronton bán nguyệt.
Toàn bộ mảng tường khu vực Cung thánh được lấp đầy bởi các họa tiết trang trí hình hoa lá thiếp vàng nổi bật trên nền son đỏ, bao lấy các bức tranh và tượng mang hình Đức Mẹ bế chúa Giê-su hài đồng.
