磺溪書院是面闊七開間(以大柱為間隔，共有7個空間)、兩進(前後2橫排屋)、兩護龍(2左右直排屋)帶四垂亭(在廟宇稱為拜亭、拜殿)的四合院式書院建築，平面設計格局是介於民宅與孔廟之間的綜合體。座南朝北，由外向內分別為山門、拜殿及正殿，兩側並有廂房，正殿與廂房間有過水廊相連接為通道，講堂兩側山牆正中開側門，為一般閩南式建築少見。
磺溪書院三川殿以中央三開間為山門，基高出地面約50公分，並鑲嵌綠釉花磚。燕尾翹脊屋頂自山門左右層層降落，屋頂分為5個段落，其中央3段各別為獨立式作法(即共有6個燕尾)，七開間正面展布均勻，左右兩端的屋頂為歇山頂，如此豐富壯麗的屋頂組合，是臺灣建築史中獨一無二的作品。而中央屋頂主脊高出屋面許多，並覆有小屋頂、留通風孔隙，誇張的華麗程度更是臺灣少見。兩翼山牆並向外斜出，讓正面更顯壯觀，中門前並有一對雕工精細活潑生動的青斗石獅。
正殿前的拜殿為8柱歇山屋頂四垂亭，台高60公分，頗近於孔廟大成殿前的露臺，外角4柱為花崗石石柱，內側4柱為木柱，以與大木結構接續，四周圍有欄杆。屋頂脊飾精美、剪黏圖象生動，是拜殿主要特色，拜殿前方的中庭，舖面為少見的瓦質拼花地磚，旁邊以方磚收邊，中央舖有矩形拜石，在臺灣傳統建築中相當少見，並被多位專家學者譽為臺灣清代建築中最優秀者。
大肚磺溪書院講堂兩側以及與護龍齋舍相連接的過水廊外牆，是磚雕製作最精美之處，運用圖樣方式表現在牆堵及牆基上，更在磚與磚的榫接處做出不同的圖案加以修飾，牆堵、門窗外框、窗檻、半圓弧牆基以及花瓶形廊門等地方，以鏤刻花紋的磚雕為飾，且磚雕是由不同師傅以「對場作」手法競技鑿雕而成，相互輝映各具特色。
進入大肚磺溪書院三川殿，木構柱廊左右的斗仔砌磚牆上，各開一個磚砌的海棠形花式月門，磚與磚之間依照花形輪廓細緻堆疊成彎弧型，造型精美絕倫。