Đây là công trình được xây dựng theo kiến trúc Văn Miếu - Quốc Tử Giám ở Hà Nội, gồm các hạng mục: nhà thờ chính, tả vu hữu vu, sân hành lễ... thể hiện truyền thống tôn sư trọng đạo, kính trọng hiền tài.

Nổi bật giữa vùng không gian thoáng đãng, nhiều cây xanh, là những vòm mái cong, lợp ngói lưu ly màu xanh ngọc (gốm tráng men). Từ Văn miếu môn lần lượt là nhà bia truyền thống Trấn Biên - Đồng Nai, Khuê Văn Các, hồ Tịnh Quang, cổng tam quan, nhà bia thứ hai thờ Khổng Tử và sau cùng là nhà thờ chính rộng lớn. Ở đây có tấm bia lớn có khắc dòng chữ to: "Hiền tài là nguyên khí của quốc gia".

Nhà thờ chính xây dựng kiểu nhà ba gian hai chái, theo kiến trúc cổ, sơn son thếp vàng, nền lát gạch tàu, trên các cột nhà treo đôi liễn đối, như:

Ở gian giữa có bàn thờ Chủ tịch Hồ Chí Minh, trên tường có biểu tượng trống đồng tượng trưng cho nền văn hóa Việt Nam và Quốc Tổ Hùng Vương.

Bên trái nhà là nơi thờ các danh nhân văn hóa Việt Nam như Chu Văn An, Nguyễn Trãi, Nguyễn Bỉnh Khiêm, Lê Quý Đôn,... bên phải thờ danh nhân đất Nam Bộ như Võ Trường Toản, Nguyễn Đình Chiểu, Trịnh Hoài Đức, Ngô Nhân Tịnh, Lê Quang Định, Bùi Hữu Nghĩa, Nguyễn Thông...

Trong gian thờ này, đặc biệt có trưng bày 18 kg đất và 18 lít nước mang về từ đền Hùng, biểu trưng cho 18 đời vua Hùng, cội nguồn của dân tộc Việt.

Phía trước hai bên nhà thờ chính còn có hai ngôi miếu, miếu bên trái thờ Tiên sư, miếu bên phải thờ Tiền hiền-Hậu hiền. Phía trước hai bên nhà thờ chính: Là Văn Vật Khố (nơi trưng bày 4 làng nghề truyền thống của Biên Hòa – Đồng Nai: nghề đồng, nghề mộc, nghề đá, nghề gốm). Đăng đối hài hòa với Văn Vật khố là Thư khố - nơi trưng bày các thư tịch cổ, các tài liệu, sách báo... viết về lịch sử, văn hóa, con người vùng đất Biên Hòa - Đồng Nai xưa và nay.

Ngoài ra, nơi Văn miếu Trấn Biên còn có khu sinh hoạt truyền thống gồm có nhà truyền thống, bia truyền thống, và các công trình phụ cận. Bia truyền thống Trấn Biên–Đồng Nai khắc bài văn khái quát về truyền thống văn hóa, giáo dục của Biên Hòa xưa và nay. Nhà truyền thống chủ yếu dùng để trưng bày và ghi danh những đơn vị, cá nhân đạt được các danh hiệu cấp nhà nước.