L’ordonnancement extérieur reste classique dans ses lignes principales. Toutefois la façade a été particulièrement soignée par l'architecte : plus basse que le reste de l'édifice, elle s'incurve et forme des sortes d'avant-corps qui encadrent l'unique porte d'entrée.
Quatre grands panneaux sculptés en bas-relief par Joseph-Dieudonné Pierre en constituent la décoration : les deux encadrant la porte sont incurvés et représentent le Sauveur et la Vierge.
Les deux situés aux extrémités sont plats et on y voit saint Nicolas et saint Charles. Les panneaux sont séparés par des pilastres et des colonnes doriques. Ces dernières supportent un entablement orné de triglyphes.
Le deuxième niveau est composé d'une grande baie, surmontée d'une horloge du XIXe siècle qui remplace les armoiries de Lorraine sous un manteau royal et soutenues par deux aigles. L’œuvre était de François Chassel, et a été martelée et détruite à la Révolution en 1792. Les deux avant-corps latéraux portent en amortissement des pots-à-feu et deux imposantes statues, saint Sébastien à gauche et le duc Léopold à droite. L’ensemble a été exécuté par Victor Huel père et financé en 1882 par l'abbé Trouillet, curé de la paroisse Saint-Epvre et bienfaiteur de la ville.
En arrière plan, on aperçoit les deux tours hautes de 45 mètres, coiffées de lanternons, avec leur croix au sommet (attribuée au serrurier Jean Lamour).
L’église Saint-Sébastien était au cœur d’un quartier populaire et commerçant qui en plus avait un marché couvert édifié en 1850. Toutefois par manque de rénovation et d’entretien, ce quartier populaire au sud de la ville a fait l’objet dans les années 1970-1976 d’un vaste projet immobilier.
On rasa l’ensemble des habitations constitué en grande partie par des maisons du XVIIe siècle (la maison de Jean Lamour, 32 rue Notre-Dame, est détruite en 1970) pour laisser place à un centre commercial. L'orientation architecturale prise en 1970 a néanmoins sauvegardé l'édifice dans un cadre résolument moderne.
Lors du creusement du parking du marché et des fondations du centre commercial, on constate des signes de fragilité qui nécessitent de très importants travaux de consolidation. Plus de dix ans de travaux de remise en état, de sécurisation et de nettoyage seront nécessaires pour redonner à l’église son faste d’antan.
Depuis 1998, l’église est confiée à la communauté jésuite par l’évêque de Nancy. Elle fait partie maintenant de la paroisse du centre ville Notre-Dame-de-Bonne-Nouvelle qui comprend cinq lieux de culte, dont la cathédrale reste l’église principale.
Comme beaucoup d’édifices religieux l’église Saint-Sébastien a souffert des troubles révolutionnaires notamment en 1792. L’église désacralisée sert d’asile d’aliéné, en 1794, puis de magasin de paille. Ce n’est qu’après le concordat, en 1801, que l’édifice est rendu au culte.
Elle est classée aux monuments historiques par un arrêté du 6 juillet 1921.
Dans un quartier commerçant et grâce à la collaboration de nombreux paroissiens très attachés à leur lieu de culte, l’église Saint-Sébastien est ouverte en semaine et le samedi à tous ceux qui désirent se recueillir, prier, ainsi qu’aux touristes.