Les côtés de la nef sont ornés de sculptures de Bizette (moulage représentant Jeanne d'Arc, bas relief représentant sainte Élisabeth de Hongrie) et de G. de Koninck (saint Antoine de Padoue, saint Jacques le Majeur, saint Christophe, saint Hubert et le saint curé d'Ars).
Les vitraux ont été réalisés par Marguerite Huré (qui a déjà œuvré sur d'autres projets de Paul Tournon, mais aussi sur certains d'Auguste Perret) d'après les dessins de Marcel Imbs. Ils ont été installés en 1933, pendant la deuxième vague d'aménagements, en même temps que les peintures du chœur. Les parties centrales des vitraux ont quant à eux été mis en place en 1998. Ils ont été réalisés par Bruno de Pirey et représentent des signes du zodiaque.
Accolé à l'un des piliers de la nef, un Christ en croix en béton a été réalisé par Carlo Sarrabezolles selon la même technique que les décorations extérieures.
Le chœur est décoré d'une fresque réalisée par Madame Chantot-Chabat. Celle-ci, surmontée de la citation "Je veux passer mon ciel à faire du bien sur la terre" attribuée à Sainte-Thérèse de Lisieux, illustre ces paroles par une composition bucolique alliant végétation stylisée et oiseaux exotiques de couleurs vives. Les motifs géométriques sur la partie supérieure de la fresque reprennent le tracé des vitraux et leurs motifs. Ces peintures ont d'ailleurs beaucoup choqué lors de leur présentation au public, pour leur caractère profane. Au milieu du chœur, derrière l'autel, figure une sculpture dorée réalisée par Lucie Delarue-Mardrus représentant Sainte-Thérèse de Lisieux, les yeux vers le ciel, ayant à ses pieds une poupée, une corde à sauter, un ballon et des roses, éléments qui ont été découverts lors de la restauration de la statue, qui a été redorée.
La chapelle des fonts baptismaux a été décorée de fresques d'Élisabeth Tournon-Branly, épouse de Paul Tournon. Elles représentent des vertus, dont au centre la foi, la charité et l'espérance, et sur les côtés la force et la prudence notamment.
L'église comporte une haute nef de 20 m de haut, agrémentée d'un flèche culminant à 45 m. La façade se compose du portail d'entrée, dont la grille est réalisée par le ferronnier d'art Raymond Subes. La porte, peinte en bleu, est décorée des symboles des saints évangélistes Mathieu (l'ange), Marc (lion ailé), Luc (taureau ailé), et Jean (aigle). Elle a pour particularité de s'ouvrir en totalité, et ainsi d'allonger la longueur de la nef pour les cérémonies exceptionnelles, comme celle de l'inauguration en 1928, et celle de 1965 à l'occasion de la mort de la reine Astrid.
La façade a été réalisée par le sculpteur Carlo Sarrabezolles. Les principales sculptures situées au centre de la façade représentent le cardinal Mercier, primat de Belgique, au-dessus du porche d'entrée (sculpté en une seule journée, entre 6 h du matin et 6 h du soir), et au-dessus saint Michel (à gauche) et sainte Jeanne d'Arc (à droite) ; entre les deux les blasons superposés de la Belgique (le lion et la devise "l'union fait la force") et de la France (francisque et bonnet phrygien). Au-dessus figure le nom de l'église : Sancta Teresiae a Jesu infante. Sur les côtés ont été sculptés des anges portant des blasons et des maquettes d'églises des villages sinistrés pendant la Première Guerre mondiale. Sur la partie supérieure de la façade, une statue de sainte Thérèse de Lisieux, bras ouverts, jetant des roses stylisées (prenant la formes de disques et réparties sur tout le haut de la façade). Enfin sont visibles un Jésus en croix et Dieu le père, les deux personnages formant avec sainte Thérèse une trinité.
À gauche de la façade, la chapelle des morts est désignée à son sommet par une croix voilée. À droite, les fonts baptismaux sont quant à eux ornés d'une étoile scintillante.