La façade de l'église, de 29 mètres de haut, est en pierre de taille et la rue de l'Hôpital militaire, très étroite, en accentue l'impression de hauteur. Son style est résolument classique et s'inspire du baroque inspiré de l'église du Gesù à Rome. On peut observer deux ordres superposés : ionique pour la partie inférieure et corinthien pour la partie supérieure.
À la gauche du chœur, se trouve le clocher, une tour carrée de 57 mètres surmontée d'un campanile.
L'intérieur de l'église, longue de 61 mètres, est sobre et lumineux et suit un plan en croix latine :
L'église a trois vaisseaux. Le chœur et les bas-côtés sont couverts par une voûte en ogive, la nef est quant à elle, couverte par une voûte en berceau plein cintre. Le dallage du sol en marbre noir et blanc provient de l'ancienne chapelle.
L'église est éclairée par 32 baies en plein cintre ornées de vitraux réalisés par Charles Gaudelet entre 1854 et 1862.
Alain Lottin, Lille, Citadelle de la Contre-Réforme ? 1598-1668.