Biserica are un plan triconc, caracteristic secolului al XVIII-lea.

Pridvorul - elementul cel mai reuşit al monumentului, are trei arce în acoladă, sprijinite pe coloane zvelte, din piatră, cu fusuri în torsadă, capiteluri şi baze ornate cu vrejuri, rezemate pe piedestale în relief floral, legate între ele cu balustrade decorate cu grifoni. Motivul arcadelor în acoladă trilobată se continuă pe toate faţadele, în registrul inferior. Un minuţios decor pictat reprezentând o împletitură de vrejuri şi flori, se desfâşoară pe suprafeţele zidurilor, deasupra arcaturilor trilobate, în jurul medalioanelor pictate cu chipuri de sfinţi, din registrul superior.

Cornişa este şi ea pictată, sub streaşina largă a acoperişului învelit cu olane. Ancadramentele din piatră ale ferestrelor şi uşii de intrare sunt bogat sculptate, cu elemente florale.

Meşterii - sculptori şi pictori cunoscuţi, au fost din şcoala brâncovenească.

În interior, pronaosul mic se desparte de naos cu un perete format din trei arce pe stâlpi din zidărie. Pe  naos se ridică tamburul turlei. Zidurile sunt groase de 50-60 cm.

Casa parohială cu turnul clopotniţă şi cu porticul care înconjoară pe trei părţi curtea laterală a bisericii au fost construite în anul 1899 după planurile arhitectului Ion Mincu. Ele schiţează forma hanului Stavropoleos. Sub porticele cu arcade în acoladă, este adăpostit un Lapidarium cu elemente recuperate de la biserici vechi, demolate din Bucureşti.

Lăcaşul a redevenit Mănăstire de maici, prin grija părintelui paroh Iustin Marchiş; aici s-a înfiinţat „Fundaţia Stavropoleos” şi „Centrul social pentru copii Sf. Dimitrie”.

Biserica Stavropoleos este o operă de supremă armonie prin proporţie, decoraţia sculpturală şi picturală, realizate într-o unitate perfectă, fiind unul din cele mai valoroase monumente din Bucureşti.