通霄神社由休憩所、社务所、第一鸟居(鸟居为日本神社入口)、手水舍、参道及石灯笼、第二鸟居、拜殿、放置祭品的币殿、本殿等建筑群所组成。本殿周围有玉垣围绕，与币殿、拜殿皆为神明造(日本明治时期以来流行的古代殿宇建筑样式)式样，而目前本殿与币殿被拆毁，只存基座。现存的拜殿战后被修改成闽南式燕翘嵴屋顶，拜殿前参道两侧有日式石灯笼，部分是当年的旧物、部分是残存的基座加上重铸的石灯笼，虽然石灯笼与鸟居石柱上的「昭和」字样已被去除，但仍呈现日本神社氛围。
通霄神社的主体建筑中，仅剩拜殿较为完整，战后改建为「通霄忠烈祠」，并维持祭祀的空间机能，除了奉祀延平郡王郑成功和先烈义士，拜殿四周加砌砖牆、开窗，原来木桁樑(承受拉力或压力的结构)屋，改成中国传统闽南式的燕翘嵴屋顶，屋嵴中央且加装国民党徽，凸显当年党国意识型态，也形成兼具中式与日式建筑风格的日本神社。
日本的鸟居，类似中国古代的坊门，常设立在神社参拜道路口，具引导功能，也是划分俗界与圣域的象徵。通霄神社第一、第二鸟居，属于「神明鸟居」样式，即两根圆柱上承载圆形的笠木，是臺湾最常见的鸟居型式。
位于通霄神社后方山上有一座日俄战争纪念碑，纪念公元1904年发生日俄战争，当时俄国战局居劣势，俄国沙皇急令波罗的海舰队驰援太平洋舰队，后来舰队被日本歼灭于对马海峡，大正年间在此地建造了一座「日露战役望楼纪念碑」。日露，即「日俄」之意，纪念碑的造型如一门船舰巨砲，砲口朝天，一旁有铁铸船锚，颇富海军味道，民国34年(公元1945年)后改为「臺湾光復纪念碑」。