L’edificio, a pianta circolare, è composto da due ambienti concentrici: quello centrale, scandito da 15 coppie di colonne di reimpiego, e un deambulatorio anulare, coperto da una volta a botte, che porta il diametro complessivo del monumento a 24 m.

La cupola, ricostruita in seguito al crollo causato dall’eruzione vesuviana del 1944, è alta 15 m. ed è protetta esternamente da un tamburo cilindrico coperto da un tetto di forma piramidale.

Le 30 colonne (alte 5 metri) e i rispettivi capitelli corinzi che sorreggono la cupola furono prelevati dagli edifici pubblici della città romana, ed in particolare dal teatro, tutt’ora visitabile. Le colonne non sono disposte casualmente, ma sono collocate secondo uno schema cromatico, partendo dall’abside.

Sono di particolare interesse alcuni capitelli che raffigurano dei delfini, divenuti famosi a livello internazionale nel 1783, quando furono citati dal Winkelmann nella sua opera “Storia delle arti e del disegno presso gli antichi”.