Công trình ban đầu được thiết kế và xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa phong cách kiến trúc tân cổ điển của chính quốc với sự thích ứng khí hậu Bắc Kỳ.[1][5][30] Bưu điện thành phố trước những năm 1930 gồm hai tòa nhà ba tầng[31][32] có mặt chính nhìn ra đại lộ Francis Garnier, mặt còn lại hướng ra phố Chavassieux và đằng sau là Bắc bộ phủ.[1][3][33] Phong cách bài trí và thiết kế các tòa nhà khi đó được cho là giống với kiến trúc của những tòa công sở thịnh hành tại Pháp cuối thế kỷ 19.[5][34]

Cả hai tòa bưu điện lúc này đều có phần ngói là ngói ardoise màu đen và các ô cửa sổ trên bức tường che khuất phần mái hiên được chọc thủng tạo thành những lỗ cửa theo kiểu nhô ra, tuy nhiên tòa nhà trung tâm thì lắp thêm một chiếc đồng hồ lớn gắn ở đằng trước, lấy theo giờ tại Paris.[1][4][34] Những mái lợp tạo từ nhiều tấm kẽm nhỏ được dùng cho các tòa nhà do những tấm lợp lớn có thể bị biến dạng bởi hiệu ứng nhiệt; các tấm kẽm cũng được gắn lên khung sắt để tránh phần rui mè làm từ gỗ bản địa bị ăn mòn.[5][34] Bố cục bên trong tòa bưu điện trung tâm được thiết kế sao cho phù hợp với dân địa phương, theo đó khu làm việc và căn hộ của Giám đốc Sở sẽ đặt ở tầng trệt và tầng một; khu vực nhà ở của công trình bao gồm một phòng khách, một phòng ăn, phòng ngủ, một khu vệ sinh, một phòng tắm, tuy nhiên lại không có nhà bếp mà thay vào đó những món ăn sẽ được chế biến sẵn tại khu nhà phụ, là nơi sinh hoạt của các gia nhân.[5]

Khác với phong cách thiết kế của hai tòa nhà còn lại, tòa bưu điện giáp phố Đinh Lễ được xây dựng theo kiến trúc Art Deco,[35] với các cột cao được cắm xung quanh phần cửa vào tòa nhà, tạo thành một đường cong nổi bật lên bậc thang lồi; những khối thuỷ tinh được ngăn thành từng ô bằng bê tông và các ô cửa vòng tròn, được đánh giá là mang tính đặc trung của trào lưu nghệ thuật "retour à l’ordre" xuất hiện từ cuối những năm 1930.[5]

Tòa nhà bưu điện trung tâm sau khi được xây dựng lại trong những năm 1970 có độ cao 5 tầng, thiết kế theo lối kiến trúc thô mộc giống với các tòa nhà công sở tại Liên Xô khi đó, trát xung quanh là đá rửa, với điểm nhấn là tháp đồng hồ bốn mặt,[1][4][24] mỗi mặt vuông có cạnh 4,5 m, diện tích 15 m2, với kim giờ dài 1,35 m còn kim phút là 1,65 m, ngoài ra còn kèm theo hệ thống bốn dàn loa phóng thanh 16 chiếc được chế tạo thêm vào.[26][36] Chiếc đồng hồ này do Trung Quốc tặng và được lắp đặt trên đỉnh tòa nhà, tuy nhiên khi đang làm dở chừng thì họ đã rút về. Ông Nguyễn Minh Chí, nguyên giám đốc Bưu điện thành phố Hà Nội, chính là người chỉ đạo lắp đặt hoàn thiện nốt cột đồng hồ này. Thời điểm đi vào hoạt động, đồng hồ được coi là điểm gần như cao nhất thành phố,[26][36] cũng như là cột mốc để tính cây số từ Hà Nội đến các nơi khác.[18][37] Để quản lý đồng hồ, bưu điện đã phải lập riêng một tổ nhân viên để giám sát hoạt động của đồng hồ, đảm bảo nó chạy đúng giờ.[26][36] Đồng hồ sử dụng đồng bộ cùng một hệ thống với những đồng hồ công cộng khác đặt tại chợ Hàng Da, chợ Mơ, Bách hoá Tổng hợp (nay là Tràng Tiền Plaza), chợ Đồng Xuân, chợ Long Biên và Ngã Tư Sở.[36] Các mặt của đồng hồ được quy định hướng theo những phía khác nhau, theo đó mặt một sẽ nhìn ra hồ Gươm, mặt hai là về trụ sở Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội, mặt ba về phía sông Hồng và mặt bốn là khu vực phía Nam thành phố. Thời gian đồng hồ đánh chuông diễn ra theo giờ từ 6 giờ sáng đến 22 giờ tối, trong khi thời đánh nhạc sẽ rơi vào các thời điểm lần lượt là 6 giờ, 12 giờ và 18 giờ.[25][26] Dù vậy, hiện nay, cột đồng hồ đã không còn phát được âm thanh do thiết bị và công nghệ quá cũ kỹ.[4][26]