Như các ngôi tháp Chăm truyền thống khác, tháp Thủ Thiệm là một kiến trúc tháp tầng vuông gồm thân và ba tầng phía trên mô phỏng than tháp nhưng nhỏ hơn. Trên các mặt tường phía ngoài của than và các tầng tháp được tô điểm bằng các hình tháp nhỏ, đầu cùng các cột ốp góc tường có những hình điêu khắc đá nhô ra, tuy nhiên ở tháp Thủ Thiện các cột ốp trơn, phẳng và không có hoa văn trang trí, các ô dọc trên tường nằm giữa các cột không những không được chạm khắc hoa văn mà còn biến thành một gờ nổi lớn nhô ra mạnh

Các cửa giả ở giữa ba mặt tường tây, nam, bắc và cửa ra vào phía đông đều có hình cung nhọn lớn như mũi giáo khổng lồ phía trên, đầu các cột ốp hợp thành bộ diềm mái nhô ra mạnh, các tháp nhỏ ở góc các tầng mái không còn là một ngôi tháp thu nhỏ nữa mà biến thành một khố hình chóp nhiều tầng