С архитектурной точки зрения, собор св. Павла – одно из крупнейших купольных зданий христианского мира, стоящее в одном ряду с Флорентийским собором, соборами св. Софии в Константинополе и св. Петра в Риме. Собор имеет форму латинского креста, его длина 157 м, ширина 31 м; длина трансепта 75 м; общая площадь 155 000 кв. м. В средокрестии на высоте 30 м заложено основание купола диаметром 34 м, который поднимается на 111 м. Проектируя купол, Рен применил уникальное решение. Непосредственно над средокрестием он возвел в кирпиче первый купол с круглым 6-метровым отверстием вверху (окулюсом), полностью соразмерный пропорциям интерьера. Над первым куполом архитектор соорудил кирпичный конус, служащий опорой для массивного каменного фонаря, вес которого достигает 700 т, а над конусом – второй покрытый свинцовыми листами купол на деревянном каркасе, пропорционально соотнесенный с наружными объемами здания. В основание конуса заложена железная цепь, принимающая на себя боковой распор. Слегка заостренный купол, опирающийся на массивную кольцевую колоннаду, господствует в облике собора.

Интерьер в основном отделан мраморной облицовкой, и поскольку в нем мало цвета, выглядит аскетичным. Вдоль стен располагаются многочисленные гробницы знаменитых полководцев и флотоводцев. Стеклянные мозаики сводов и стен хора были завершены в 1897.

Во время Второй мировой войны в целом собор почти не пострадал.