万神庙平面为圆形，上覆穹顶。这个古代世界最大的穹顶直径43.3米，正中有直径8.92米的圆洞。基础、墙和穹顶都用火山灰水泥制成的混凝土浇筑。作为骨料的石块，在下面的硬而重，在上面的软而轻。穹顶上部混凝土的比重只有基础比重的三分之二。基础底宽7.30米，墙和穹顶底部厚6米，穹顶顶部厚1.50米。穹顶内表面作凹格以减轻重量，共5排，每排28个（图1）。墙上除大门外有7个凹室，也能起减少施工量的作用。墙里和穹顶里都有砖券，结构作用不明显，可能出于施工需要。

图1 罗马万神殿内景

万神庙内部体现了古典建筑和谐、稳定和庄严的特色。穹顶顶部矢高43.3米，与直径相等，内部空间完整紧凑。墙面和穹顶都以水平划分为主，周圈一致，与单一空间协调。墙面所有构件都用赭红大理石（上部于1747年改建，仅中央主凹室的左侧一小部分为原状）。地面中央微凸，主要用灰白色大理石。穹顶抹灰，每个凹格中心原来可能有镀金的铜质玫瑰花。

万神庙正面有长方形柱廊，柱廊宽34米，深15.5米；有科林斯式柱16根，分3排，前排8根，中、后排各4根。柱身高12.5米，底径1.43米，用整块埃及灰色花岗岩加工而成。柱头和柱础是白色大理石。大门两侧壁龛内原置奥古斯都像和他主管建筑的助手阿格里巴像。柱廊可能是从阿格里巴督造的旧万神庙（公元前27年）拆移过来的。穹顶和柱廊原来覆盖镀金铜瓦，663年被拜占廷皇帝掠去。735年以铅瓦覆盖。柱廊的铜质天花于17世纪上半叶被拆走。

万神庙前本来有狭长的广场，周以列柱。庙左右两侧有建筑物紧贴，所以外部艺术处理的重点在柱廊（图2）。现在庙前广场已彻底改建，列柱和庙左右的建筑物都已拆除。

图2 罗马万神殿和喷泉