通霄神社由休憩所、社務所、第一鳥居(鳥居為日本神社入口)、手水舍、參道及石燈籠、第二鳥居、拜殿、放置祭品的幣殿、本殿等建築群所組成。本殿周圍有玉垣圍繞，與幣殿、拜殿皆為神明造(日本明治時期以來流行的古代殿宇建築樣式)式樣，而目前本殿與幣殿被拆毀，只存基座。現存的拜殿戰後被修改成閩南式燕翹脊屋頂，拜殿前參道兩側有日式石燈籠，部分是當年的舊物、部分是殘存的基座加上重鑄的石燈籠，雖然石燈籠與鳥居石柱上的「昭和」字樣已被去除，但仍呈現日本神社氛圍。
通霄神社的主體建築中，僅剩拜殿較為完整，戰後改建為「通霄忠烈祠」，並維持祭祀的空間機能，除了奉祀延平郡王鄭成功和先烈義士，拜殿四周加砌磚牆、開窗，原來木桁樑(承受拉力或壓力的結構)屋，改成中國傳統閩南式的燕翹脊屋頂，屋脊中央且加裝國民黨徽，凸顯當年黨國意識型態，也形成兼具中式與日式建築風格的日本神社。
日本的鳥居，類似中國古代的坊門，常設立在神社參拜道路口，具引導功能，也是劃分俗界與聖域的象徵。通霄神社第一、第二鳥居，屬於「神明鳥居」樣式，即兩根圓柱上承載圓形的笠木，是臺灣最常見的鳥居型式。
位於通霄神社後方山上有一座日俄戰爭紀念碑，紀念公元1904年發生日俄戰爭，當時俄國戰局居劣勢，俄國沙皇急令波羅的海艦隊馳援太平洋艦隊，後來艦隊被日本殲滅於對馬海峽，大正年間在此地建造了一座「日露戰役望樓紀念碑」。日露，即「日俄」之意，紀念碑的造型如一門船艦巨砲，砲口朝天，一旁有鐵鑄船錨，頗富海軍味道，民國34年(公元1945年)後改為「臺灣光復紀念碑」。