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Comme la plupart des églises jésuites, la façade principale a fait l'objet d'un soin particulier et s'inspire de l'église du Gesù ; les portes secondaires et probablement les oculi au-dessus de ces ouvertures ont été percées en 1846-1847. A contrario, les autres façades de l'édifice sont restées nues. À cela, on peut apporter deux explications. L'une est pratique ; l'église a été érigée à proximité de la courtine complétant les remparts de Caen, construite dans les années 1590, et n'était donc pas visible de ce côté. L'autre raison est plus symbolique ; l'église est traitée comme un décor de théâtre, les Jésuites étant féru des arts de la scène dans leur enseignement, comme nous le démontre d'ailleurs la première dédicace de l'église. L'église a été construite sur un terrain marécageux au bord du Petit Odon, recouvert dans les années 1930 ; de ce fait, la façade penche légèrement vers la droite. Le parvis de Notre-Dame est délimité par une rangée d'arbres et séparé de la rue Saint-Laurent par des chaînes qui auraient servi autrefois à fermer la rue de l'université (actuelle rue Pasteur) ; ce site est classé monument historique (SC, 30/03/1939).
L'église est orientée à l'ouest, c'est-à-dire dans le sens inverse des autres. De plan basilical, la nef est encadrée par deux bas-côtés, surmontés de tribunes en 1846-1847, et le transept est très légèrement saillant ; l'abside semi-circulaire est aveugle et le cul-de-four du chœur fut décoré en 1876 d'une scène de l'Assomption, peinte par Perrodin. Les doubleaux du chœur ont été ornés à la fin du XIXe siècle de symbole des litanies, œuvre de l'atelier Jacquier. Enfin en 1901, la coupole du transept fut revêtue d'une Glorification de Saint-Jean-Eudes par Henri Lerolle.