磺溪书院是面阔七开间(以大柱为间隔，共有7个空间)、两进(前后2横排屋)、两护龙(2左右直排屋)带四垂亭(在庙宇称为拜亭、拜殿)的四合院式书院建筑，平面设计格局是介于民宅与孔庙之间的综合体。座南朝北，由外向内分别为山门、拜殿及正殿，两侧并有厢房，正殿与厢房间有过水廊相连接为通道，讲堂两侧山牆正中开侧门，为一般闽南式建筑少见。
磺溪书院三川殿以中央三开间为山门，基高出地面约50公分，并镶嵌绿釉花砖。燕尾翘嵴屋顶自山门左右层层降落，屋顶分为5个段落，其中央3段各别为独立式作法(即共有6个燕尾)，七开间正面展布均匀，左右两端的屋顶为歇山顶，如此丰富壮丽的屋顶组合，是臺湾建筑史中独一无二的作品。而中央屋顶主嵴高出屋面许多，并复有小屋顶、留通风孔隙，夸张的华丽程度更是臺湾少见。两翼山牆并向外斜出，让正面更显壮观，中门前并有一对凋工精细活泼生动的青斗石狮。
正殿前的拜殿为8柱歇山屋顶四垂亭，台高60公分，颇近于孔庙大成殿前的露台，外角4柱为花岗石石柱，内侧4柱为木柱，以与大木结构接续，四周围有栏杆。屋顶脊饰精美、剪黏图象生动，是拜殿主要特色，拜殿前方的中庭，铺面为少见的瓦质拼花地砖，旁边以方砖收边，中央铺有矩形拜石，在台湾传统建筑中相当少见，并被多位专家学者誉为台湾清代建筑中最优秀者。
大肚磺溪书院讲堂两侧以及与护龙斋舍相连接的过水廊外牆，是砖凋製作最精美之处，运用图样方式表现在牆堵及牆基上，更在砖与砖的榫接处做出不同的图案加以修饰，牆堵、门窗外框、窗槛、半圆弧牆基以及花瓶形廊门等地方，以镂刻花纹的砖凋为饰，且砖凋是由不同师傅以「对场作」手法竞技凿凋而成，相互辉映各具特色。
进入大肚磺溪书院三川殿，木构柱廊左右的斗仔砌砖牆上，各开一个砖砌的海棠形花式月门，砖与砖之间依照花形轮廓细緻堆叠成弯弧型，造型精美绝伦。