Conçue pour résister aux tempêtes tout en conservant une apparence légère, l'église Saint-Joseph est un bâtiment à la structure complexe et tirant parti des meilleures techniques de construction de son époque.
Ce qui frappe le plus le visiteur de l'église est sans doute l'absence de piliers dans sa partie centrale. Tirant parti de l'extrême résistance mécanique du béton, Perret a en effet pu vider le volume intérieur (50 000 m³) de toute structure de soutien visuellement encombrante dans sa zone centrale. La masse de l'édifice repose sur une surface de base de 2 000 m² et l'église a nécessité 50 000 tonnes de béton. Le bloc de base de l'église repose sur 71 « pieux Franki » de 15 mètres de long. Les 16 piliers de l'église reposent sur 16 puits tubés en béton armé de 1,45 m de diamètre et s'enfonçant à 15 mètres dans le sol. Le clocher exerce un poids de 1 100 tonnes à chaque angle.
Une autre particularité du lieu est le fait que l'autel soit localisé au centre de l'église.
L'église a un plan centré en croix grecque et une flèche à base octogonale de 106 mètres de hauteur.
La tour-lanterne fait entrer la lumière dans l'édifice grâce à ses vitraux multicolores conçus par Marguerite Huré, composés de 12 768 pièces de verre « antique » d'épaisseur irrégulière (2 à 5 mm), soufflées à la bouche par les verreries de Saint-Just-sur-Loire.
Ces vitraux aux formes strictement géométriques se déclinent en sept couleurs principales (blanc, orange, jaune, vert, violet, rouge et verdâtre) pour former cinquante nuances au total.
Aucune peinture n'orne le bâtiment qui est sobre, voire rude, et tire sa noblesse architecturale de la pureté de sa structure.
Le mobilier de l'église est lui aussi très sobre. On recense notamment :