龙山寺坐北朝南呈回字形排列，为中国古典三进四合院之宫殿式建筑，由前殿(三川殿)、正殿(中殿)、后殿(圣母殿)及左右护龙构成。前殿的总面宽达到为11开间(中国古代建筑计算单位，指建筑的迎面间数)，视觉十分壮阔，分为三川殿、龙门厅、虎门厅。三川殿装饰艺术凋刻精美，牆壁以青、白石构成优美匀称对比。正殿面宽5开间，为龙山寺主要殿堂，主祀观世音菩萨，除基台较高有鹤立鸡群之感，殿前并有突出月臺，供信众参拜。四周内外共使用42根石柱，彰显正殿恢弘格局。
龙山寺山门建于公元1960年代，为四柱三间的歇山重簷式牌楼，出自知名建筑师与民俗艺师廖石成（公元1899年-1984年）所设计，造型简练大气，与后方三川殿搭配，浑然一体。
藻井向来仅使用于中国的尊贵建筑，前殿的八卦藻井以32组斗栱集中向中心组合而成，其间还穿插斜向的交叉拱，并分成内外两圈，结构十分奇巧美观，是出自泉州名匠王益顺之手。
龙山寺钟鼓楼为六角形造型，传统寺庙钟鼓楼通常为独立式阁楼，但龙山寺受限市区地方狭小，而盖在「护室」(与主厅堂垂直之长条房屋)上方。最特别的是钟鼓楼设计採轿式屋顶，上方为三重簷，是臺湾首次出现的庙宇钟鼓楼建筑形式，并影响后来各地庙宇的建筑风格。东侧为钟楼，西边为鼓楼，现貌也是泉州名师王益顺所修，战后(公元1945年)廖石成加以修理，并将上簷略为提高。
位于三川殿正面入口处的龙柱，为全臺唯一的铜铸龙柱，为民国8年(公元1920年)由厦门交趾陶、剪黏名师洪坤福（公元1865年-？）做泥胚，完成后，再由臺北铁工厂李禄星(生卒年不详) 以翻砂技术铸造而成。龙身线条分明，柱身则以封神榜人物凋刻衬托，柱底则设计成海浪、鲤鱼与柱珠，由此可以发现当年匠师设计的巧思。
位于龙山寺正殿四点金柱之间正上方的螺旋藻井，直径达5.82公尺，由32组斗栱以逆时针组合而成，最初也是出自泉州名师王益顺之手，以顺时针方向散开，战后(公元1945年)重建时改成逆时针方式组合。
位于正殿有一尊高1.11公尺、凋刻线条粗犷的释迦立像，为日治时期出身艋舺的臺湾第一位凋塑家黄土水(公元1895年-1930年)于1925年所作，立像以南宋梁楷(生卒年不详)水墨画「释迦出山图」为蓝本，二次大战时遭战火烧毁，后来由行政院文建会(现已改制为文化部)以原模翻製。