Nhà thờ được ông Lê Phát An giao cho nhà thầu Baader thiết kế và thi công. Tuy nhiên sau một thời gian thi công, ông Denis Lê Phát An hủy hợp đồng cũ với nhà thầu Baader và hợp tác với nhà thầu Lamorte để tiếp tục công trình cho đến khi hoàn thành.[12]

Thay vì kiểu kiến trúc Romanesque và kiến trúc Gothic khá phổ biến như nhiều nhà thờ khác, nhà thờ Hạnh Thông Tây được xây dựng theo phong cách kiến trúc Byzantine ở châu Âu. Nguyên mẫu của nhà thờ chính là Vương cung thánh đường Thánh Vitale ở thành phố Ravenna, Italia.[13]

Nhà thờ có chiều dài 40 mét, chiều rộng 14 mét, trần cao 16 mét, chiều cao vòm 20 mét. Ban đầu tháp chuông có hình tháp nhọn cao 30 mét nhưng từ năm 1952 giảm xuống còn 19,5 mét vì lý do an ninh hàng không.[7]

Do thánh bổn mạng của nhà thờ vốn là thánh Giuse, còn ông Lê Phát An có thánh quan thầy là thánh Denis, nên giáo xứ đã quyết định xây thêm tượng thánh Denis ở ngay trước nhà thờ, phía trên cửa vào để tỏ lòng biết ơn đối với ông.[14]

Trần nhà thờ có hình vòm cung, phết nhũ vàng. Trên cùng là tranh khảm theo phong cách Byzantine mô tả cảnh Chúa Giêsu đang hấp hối trên Thập Giá. Trần nhà thờ còn có tranh ghép đá mosaic có hình của các vị thánh khác như: thánh Antôn thành Padova, các thánh nữ là thánh Anna, thánh Maria Mađalêna, thánh Veronica, thánh Lucia, thánh Cecilia, thánh Agnes[15], thánh Claira[16], thánh Gioanna xứ Arc,...

Ngoài ra, nhà thờ còn có hai mộ tượng của vợ chồng ông Lê Phát An nằm đối diện nhau ở hai bên cánh nhà thờ. Đặc biệt hai pho tượng mang đậm tính "Nam Bộ". Trước mộ ông Denis Lê Phát An có tượng người vợ mặc áo dài cầm bó hoa quỳ gối ôm choàng lấy bia mộ. Ngược lại, trước mộ của bà Anna Trần Thị Thơ thì có tượng người chồng đang quỳ cầu nguyện và thương tiếc. Cả hai bức tượng đều được điêu khắc vô cùng sống động và chi tiết. Hai bức tượng này được khắc trên đá cẩm thạch trắng còn phần bia mộ bằng đá hoa cương. Trên bia mộ cũng có ghi tên kiến trúc sư người Pháp Paul Ducuing[17] và nhà điêu khắc người Pháp A. Contenay thực hiện.[18]