路思义教堂为了採光及明确表现结构，4片曲面完全分离，双曲面(conoid)所形成之屋簷曲线极具美感，其上小下大的形状，呈显稳定的感觉，最宽处的底部到最高点之间，约略成为一等边三角形，在对抗风力与地震力时甚为有力，从正面或前方45度内观看，最能表现出曲线线条之美。教堂前后两面是平板吸热玻璃，分割设计十分自然，深色的视觉表现出「虚」的感觉。由于正面与侧面的几何构图不同，须绕行教堂一圈才能欣赏整体外观美感。
路思义教堂设计兼具传统与创新，将传统道家思想「无而后有，虚而后实」的精神表现在教堂的建筑上，包括从源头的「无柱、无樑、无牆」，至「有柱、有樑、有牆」，教堂的外牆结构设计，更呈现「亦柱、亦樑、亦牆」的境界。进教堂后，因屋嵴部份分开出现天窗，具有「一线天」的意涵，仰望天窗延伸于无极之太空，空灵境界油然而生。而侧边窗透入的光线，也增添教堂的神祕感。
路思义教堂因形状下大上小的设计，让教堂内部空气调节产生了烟囱调节作用，室内热空气自动上升自屋嵴通气窗排出，让座席部分的温度不会产生过热现象。
教堂外面的四片曲面，置前后窗、天窗，并用钢槽铁焊接，并在屋面相接处设计伸缩接头，让教堂遇到地震、颱风，或者较大的温度变化时，能产生伸缩保护效果，而且弧形的牆面，更能有效减低风阻。
路思义教堂外表复贴菱形的琉璃瓦，除了保护屋面达到防水去垢的功能，也增加建筑物的整体美感。使用菱形的琉璃瓦，为考量教堂外部的曲面设计能够贴合，而黄色则为中国建筑传统中，宗教建筑的正统色，并且能在周围都是绿色的相思树林中凸显，呈现庄严之感。