(万神殿外观 图片来自百度图库)
万神殿的建筑风格，采用了穹顶覆盖的集中式形制，其神庙正面呈长方形，平面则为为圆形，由长方形门廊和圆形堂组成，其中最精妙绝伦的巅峰设计是他的圆形穹顶。它曾是世界上最大的圆形穹顶，直径长为43.3米，其顶端高度也是43.3米，穹顶正中有直径8.92米的采光圆眼，这个穹顶的设计最令人赞叹之处在于整个万神殿内，竟没有用到一根柱子去支撑它，当然，在罗马帝国时代，更不会有钢筋支撑的存在，完全是出自建筑师们高深的建筑知识和计算方法。
(万神殿侧面效果图 图片来自百度图库)
首先工程师造了6米多厚的墙来支撑圆顶，而且越往上用越轻的石头，目的是减轻荷载。要把顶部做得尽可能轻，把底部做得尽可能重和坚固，所以要小心地逐层改变石头的密度来改变每一层的重量，从顶部的最轻到底部的最重。因此工程师在底部用了大块沉重的材料如玄武岩，在中间混合了来自那不勒斯附近的天然火山灰，在顶部使用了多孔火山岩--浮石，最后在圆形屋顶的顶点，留了直径近9米的圆形开口，叫做Oculus，意思是“眼睛”,这是避免在圆屋顶最为脆弱的地方加上巨大的重量，同时让光能够透过万神庙的内部。整个建筑唯一的采光点，就是穹顶上的这个圆形开口。另外，穹顶的厚度也逐渐削薄，从穹顶底部的5.9米一直减少到顶部的仅1.5米。
(万神殿的巨大穹顶 图片来自百度图库)
当人们置身万神殿中，抬头看到头顶的巨大穹顶，才会明白罗马人设计的精巧之处。直径43.3米的巨大穹顶，抬眼完全望不到边，而当人站在可以将穹顶完全收入眼中的位置时，似乎能深深地感觉到自身的渺小和宇宙的浩瀚，建筑体本身的无窗处理，加之从头顶开出来的圆形光眼，使得天光从上方垂下，如同神芒普照。同时，光线从顶部泄下，并会随着太阳位置的移动而改变光线的角度，使整个建筑就像是一个日晷，仿佛可以见到天堂的移动，给予人一种神圣庄严的感觉。正是这样的穹顶，让米开朗基罗在见到万神殿的时候将它赞叹为“天使的设计”。
(巨大穹顶的巧妙光线设计 图片来自百度图库)
除了本体的建筑艺术外，神殿内丰富神奇的光影效果，以及雕刻精美的大理石墙面、壁龛、包括一幅幅其中的壁画，还有柱头上同样精致的大理石雕刻，都包含着丰富的古罗马艺术特色，算得上无上的艺术瑰宝。万神殿内的七座壁龛，分别供奉凯撒大帝等“神明”的雕像。在墙壁的凹形位置还装有圆弧形的墓室，是意大利国王埃曼努埃莱二世等重要人物的安眠之地。
