L'architecture de Notre-Dame de Pentecôte est particulière. Conçue par l'architecte Franck Hammoutène au cœur du quartier de la Défense, Notre-Dame de Pentecôte surplombe les voies rapides de la route nationale 192, donnant l'impression d'être suspendue au-dessus du vide.
Les trois parties du programme s'y organisent verticalement, chacune sur un niveau :
- La chambre haute, qui accueille la chapelle, à laquelle on accède par un escalier, avec des bancs en bois pour les fidèles. Elle peut accueillir 300 personnes. La lumière provient du nord / nord-est, mais comme l'ensemble du côté nord est en verre (opaque), cela donne une luminosité satisfaisante, pour l'autel, à laquelle s'ajoute celle des éclairages. À noter que l'ambon place le prêtre pour l'Évangile et l'homélie, et les personnes qui proclament les lectures, ou chantent le psaume, au milieu des fidèles, dans une direction opposée à celle qu'il a lors de la consécration reprenant une disposition ancienne des églises du I millénaire.
- Le niveau du rez-de chaussée est le parvis d'accueil et de rencontre, où est installée une librairie (annexe de la Procure dans le 6 arrondissement de Paris).
- Le sous-sol est composé d'un restaurant et d'une cuisine ainsi que de salles de réunions.
Cette série de plans successifs protège sans enfermer, dessine les espaces intérieurs, en créant des variations d'échelle et de lumières qui accompagnent et effacent à la fois le monde extérieur.
Elle semble avoir été conçue pour s'intégrer dans le site, car sa forme générale est essentiellement cubique, et elle n'adopte pas le plan en croix ni l'orientation vers l'Est, habituels de la plupart des églises du II millénaire.
Le matériau employé pour le gros œuvre est le béton, ce qui n'est en revanche pas une nouveauté pour les églises du XX siècle, qui ont commencé à comporter ce type de matériau.
L'église est signalée par une croix discrète aux abords de l'entrée. De plus, une façade s'élève sur une hauteur de 35 mètres, en partie détachée du bâtiment, comparable à un clocher. Sur ce mur en béton recouvert de vitres en verre opaque gris, deux lignes de couleur plus claire dessinent sur toute la hauteur et dans toute la largeur une autre croix, grande mais discrète, à la manière d'un filigrane. Cet écran monumental, d'une épaisseur de 80 cm, a du être conçu pour résister aux vents forts induits par l'environnement découvert, et est capable de se plier légèrement. Il a été imaginé en collaboration avec la société Rice Francis Ritchie (RFR).
Du fait de l'organisation complexe des équipements situés sous la dalle du parvis de la Défense, les fondations de l'édifice ont représenté à elles seules le tiers du coût total (on a recouru à 62 piles, dont certaines inclinées jusqu'à 20° pour éviter les obstacles sous-terrains).
Notre-Dame de Pentecôte a valu à son architecte le Grand prix du ministre de la Culture en 2006, remis par Renaud Donnedieu de Vabres.