路思義教堂為了採光及明確表現結構，4片曲面完全分離，雙曲面(conoid)所形成之屋簷曲線極具美感，其上小下大的形狀，呈顯穩定的感覺，最寬處的底部到最高點之間，約略成為一等邊三角形，在對抗風力與地震力時甚為有力，從正面或前方45度內觀看，最能表現出曲線線條之美。教堂前後兩面是平板吸熱玻璃，分割設計十分自然，深色的視覺表現出「虛」的感覺。由於正面與側面的幾何構圖不同，須繞行教堂一圈才能欣賞整體外觀美感。
路思義教堂設計兼具傳統與創新，將傳統道家思想「無而後有，虛而後實」的精神表現在教堂的建築上，包括從源頭的「無柱、無樑、無牆」，至「有柱、有樑、有牆」，教堂的外牆結構設計，更呈現「亦柱、亦樑、亦牆」的境界。進教堂後，因屋脊部份分開出現天窗，具有「一線天」的意涵，仰望天窗延伸於無極之太空，空靈境界油然而生。而側邊窗透入的光線，也增添教堂的神祕感。
路思義教堂因形狀下大上小的設計，讓教堂內部空氣調節產生了煙囪調節作用，室內熱空氣自動上升自屋脊通氣窗排出，讓座席部分的溫度不會產生過熱現象。
教堂外面的四片曲面，置前後窗、天窗，並用鋼槽鐵焊接，並在屋面相接處設計伸縮接頭，讓教堂遇到地震、颱風，或者較大的溫度變化時，能產生伸縮保護效果，而且弧形的牆面，更能有效減低風阻。
路思義教堂外表覆貼菱形的琉璃瓦，除了保護屋面達到防水去垢的功能，也增加建築物的整體美感。使用菱形的琉璃瓦，為考量教堂外部的曲面設計能夠貼合，而黃色則為中國建築傳統中，宗教建築的正統色，並且能在周圍都是綠色的相思樹林中凸顯，呈現莊嚴之感。