L'intérieur du bâtiment s'organise autour de huit patios, ornés de fontaines et entourés de galeries donnant accès aux différentes pièces. Les patios situés au sud du bâtiment, contre la façade principale, sont de taille plus réduite. Trois autres patios, situés à l'ouest et au nord, présentent des dimensions plus importantes. Enfin, la cour centrale (Patio del Recibimiento), la plus étendue, accueille en son centre l'église de l'hôpital, dans laquelle est aujourd'hui installée la salle des séances.
L'église est sans doute un des éléments les plus frappants de l'ancien hôpital. Elle se caractérise par une élévation plus marquée que le reste du bâtiment. Exécutée selon un plan en croix latine par Hernán Ruiz II, elle arbore sur sa façade un magnifique portail maniériste, structuré à la manière des arcs de triomphe. Ce portail est structuré en deux niveaux. Le premier niveau est percé d'une porte en plein-cintre. Les écoinçons sont ornés de trois bas-reliefs représentant les trois vertus théologales (foi, espérance, charité), sculptés par Juan Bautista Vázquez el Viejo en 1564. Cette porte est flanquée de quatre colonnes doriques supportant une frise ionique. Le niveau supérieur est organisé autour d'un arc en plein-cintre, entouré de quatre colonnes ioniques, et surmonté d'un fronton triangulaire.
L'intérieur de l’église se caractérise par une grande pureté et de belles proportions. À l'instar du reste de l'édifice, la nef emprunte très nettement au registre maniériste, inspiré de l'Antiquité classique. Elle est formée de quatre travées aboutissant sur un transept à peine saillant. Deux coupoles sur pendentif couvrent chacune des deux travées de la nef. Une troisième coupole recouvre le transept. Les arcs doubleaux retombent sur des colonnes engagées à chapiteaux ioniques, retombant eux-mêmes sur des culs-de-lampe ouvragés. Au premier niveau, des arcatures en plein-cintre soutiennent la galerie du deuxième niveau, ornée d'une balustrade. Au-delà du transept est installé le chœur semi-circulaire, où prend aujourd'hui place le perchoir. Il est agrémenté d'un gigantesque retable, dessiné par Asensio de Maeda, et peints par Alonso Vázquez en 1602. La sacristie occupe l'espace compris entre le chœur et le chevet, plat.
L'Hôpital des Cinq-Plaies se présente sous la forme d'un gigantesque volume rectangulaire à deux niveaux, mesurant 173 mètres sur 156. Il demeura jusqu'à l'achèvement du Monastère de l'Escorial en 1584, le plus vaste bâtiment d'Espagne. Bâti hors les murs à l'époque, il se trouve aujourd'hui en lisière nord du centre historique de Séville, face aux murailles almohades ainsi qu'à la Porte et à la Basilique de la Macarena, à l'entrée du quartier du même nom. Les architectes de l'époque ont fait le choix d'un bâtiment construit selon les goûts italianisants de l'époque. L'hôpital est de ce fait un des meilleurs représentants de l'architecture de la Renaissance en Andalousie. L'inspiration maniériste y est patente, et trahit la forte influence de l'Antiquité classique.
Conscients de la nature de la construction, les concepteurs ont imaginé un édifice adapté aux fonctions à remplir, en suivant les modèles architecturaux des hôpitaux de la Renaissance. Leur modèle pourrait avoir été l'Hôpital majeur de Milan, les similitudes étant particulièrement fortes entre les deux constructions. L'organisation générale adopte un plan cruciforme, pourvu de dix patios entourés de galeries, afin de faciliter l'aération des lieux et la pénétration de la lumière. De ces dix cours initiales, seules neuf ont été effectivement achevées, et huit ont été conservées. Ces carences sont à l'origine de l'aspect du plan, imparfaitement rectangulaire. L'angle nord-est du bâtiment est de ce fait inachevé.
La façade principale, au sud face à La Macarena, mesure 173 mètres de long. D'une grande pureté, elle est ornée de tours d'angle à ses deux extrémités. Organisée en deux niveaux, elle est scandée par une succession de pilastres toscans au premier niveau et ioniques au second, qui définissent des travée dans lesquelles s'inscrivent différents éléments décoratifs. Les deux niveaux sont séparés par un entablement, composé d'un architrave et d'une corniche très épurés. Au premier niveau, les murs sont ornés de simples fenestrons surmontés d'un fronton sans-retour triangulaire. Au deuxième niveau, des fenêtres prennent place sur chaque travée. Elles sont encadrées par deux balustres engagés et un fronton triangulaire. L'entablement du toit (à deux versants et couvert de tuiles) est surmonté sur sa presque totalité par une délicate balustrade, et agrémenté de gargouilles au-dessus de chaque pilastre. Cette balustrade s'interrompt au centre de la façade, pour laisser place à deux élégantes lucarnes d'inspiration maniériste, et au portail principal en saillie.
Le portail, de marbre blanc, se détache comme souvent en Andalousie, sur la pierre plus sombre du reste de la façade. Il fut réalisé par Miguel de Zumárraga, qui l'acheva en 1617. Il se compose de deux niveaux. Au premier niveau s'ouvre une porte donnant accès au bâtiment. Celle-ci est encadrée par deux groupes de deux colonnes doriques, entre lesquelles s'inscrit une niche. Sur ces colonnes prend appui une frise dorique, garnie de métopes et de triglyphes. Le deuxième niveau est organisée autour d’une petite terrasse, ornée d'une balustrade et sur laquelle s'ouvre une porte. Cette dernière est flanquée de deux colonnes ioniques et d'un linteau. Cet ensemble prend place dans un cadre plus vaste, surmonté d'un fronton brisé, aux rampants à volutes. La partie centrale du fronton est occupée par le blason sculpté de l'hôpital, soutenu par deux putti. Sur le blason figurent cinq grappes de raisin représentant les cinq plaies du Christ. Le tout est flanqué de deux pinacles engagés, reposant sur les blasons sculptés des fondateurs de l'hôpital.