Panthéon er holdt i nyklassicistisk stil, som var på mode i den periode. Her så man det gamle Grækenland og Roms bygninger som forbilleder. Den har fire gange, som har form efter et græsk kors. Disse gange mødes i et centrum, hvor den store kuppel ses. Den er inspireret af Saint Pauls Katedral i London. Kuplen er forstærket af et jernskelet og 425 trappetrin fører op til det øverste niveau i den. Herfra er der en flot udsigt over Paris.
Bygningen er 110 meter lang, 84 bred og 83 meter høj. Indvendigt ses der mange korinthiske søjler, og indgangen har en monumental søjlegang.
På væggene hænger der malerier, som er fra 1877 og fremefter. Det mest berømte af dem skildrer scener fra Sainte Geneviève's liv. I krypten, som går under hele Panthéon's længde, er der gravmæler for flere kendte personer. Der drejer sig f.eks. om Voltaire, Rousseau, Victor Hugo og Èmile Zola.