Qua khỏi cổng nhà thờ là khoảng sân rất rộng, có hồ nước tạo thế minh đường, trên hồ là hòn giả sơn với hai tượng thiên thần làm tiền án, bên trái sân (từ nhà thờ nhìn ra) là tháp chuông với quả chuông cao 0,55m, đường kính 0,47m, chung quanh khắc chữ Hán, chữ Nôm, với bài minh viết bằng chữ Nôm: “Khi Hoàng đế giáng dụ tha đạo được sáu tháng thì chúng tôi đã lo đúc cái chuông này mà dâng cho Đức Chúa bà Môi Khôi là bổn mạng nhà thờ An Vân, mà tỏ lòng mừng cùng cảm đội ơn Đức Chúa Trời và Đức Mẹ đã đoái thương”, với lạc khoản ghi “Giáng sinh nhất thiên bát bách thất thập lục niên tứ nguyệt thập tứ nhật tạo” (làm ngày 14 tháng Tư năm Chúa giáng sinh - dương lịch 1876) và “Tự Đức nhị thập cửu niên tam nguyệt nhị thập nhật tạo” (làm ngày 20 tháng Ba năm Tự Đức 29). Quả chuông cổ năm 1876 đã bị nứt, được nhà thờ làm lại, vẫn khắc nguyên văn các dòng chữ Hán Nôm và ở mặt khác của chuông, còn khắc thêm các dòng ghi năm làm lại chuông 2007, trọng lượng, kích thước của chuông. Đặc biệt, chuông mới còn khắc lại nguyên văn bài kinh Hãy Nhớ bằng chữ Nôm ở mặt sau khám thờ Thánh tử đạo.

Nhà thờ chính ở giữa rộng 14m, sâu 26m, nóc mái cao 6,2m. Mặt tiền nhà thờ có lối kiến trúc tương tự cổng tam quan ba tầng, chiều cao đến đỉnh thánh giá là 15m, có hai bức hoành phi bằng chữ Hán, chữ Latin ở hai tầng dưới, dọc các cột có bảy câu đối bằng chữ Hán, các họa tiết trang trí đều được đắp sành sứ. Toàn bộ mặt tiền được sơn màu trắng sáng.

Tầng trên cùng của tam quan có ô thông gió cao 1m, ngang 0,53m, làm đài Đức Mẹ Môi Khôi, hai bên có hai câu chữ Nôm “Cảm đội ơn Đức Chúa Trời”, “Và Đức Mẹ đã đoái thương”. Dưới chân tượng Đức Mẹ có ô trang trí hình trái tim Đức Mẹ tỏa hào quang, hai nhánh gai và sáu ngôi sao, bên trái gần đầu cột hình bút lông là câu đổi chữ Hán “Thế gian vô nhị nữ” (Thế gian không có người nữ thứ hai), bên phải là câu “Cức lý hữu đơn hoa” (Bên trong bụi gai có một đóa hoa), dưới ô trái tim là ô chữ Hán đại tự “Nhất thể tam vị” (Một Chúa ba ngôi). Tầng thứ hai có bức hoành phi ghi các chữ Hán đại tự “Thánh mẫu Môi Khôi Thánh đường” ngay chính giữa, trên hoành phi có kính trấn trạch, hai bên có ba cặp câu đối chữ Hán. Tầng dưới cùng có bức hoành phi ở giữa, ghi dòng chữ Latin lớn “ECCLESIA SS. ROSARII” (Nhà thờ Rất Thánh Môi Côi), phía trên hoành phi có gương trấn trạch, hai bên có ba câu đối chữ Hán, ba cửa lớn ra vào, nối với gian tiền đường rộng 2,5m.

Nội thất nhà thờ có sáu gian, mỗi gian rộng 3m, bốn gian ngoài là phòng tư tế công đồng dành cho giáo dân xem lễ, gian cung thánh được nới rộng thêm 1m, xây lên thành vách tường cung thánh, giữa cung thánh là thánh giá và tủ thờ Mình Thánh Chúa, bên trái là tủ thờ và khám thờ xương các Thánh tử đạo Việt Nam, bên phải là tủ thờ Đức Mẹ có bức ảnh xưa Đức Mẹ hằng cứu giúp; nối với gian cung thánh là gian hậu liêu rộng 2,5m, cùng một nóc mái nhà thờ. Khám thờ thánh tử đạo bằng gỗ, chạm trỗ tinh vi, sơn son thếp vàng, mặt trước khám ghi tên người dâng cúng năm 1887 bằng chữ Hán, mặt sau có bản kinh Hãy Nhớ khắc bằng chữ Nôm lời kinh cổ: “A Thánh nữ đồng trinh Ma Ri A là Mẹ thậm nhân từ, xin hãy nhớ lại xưa nay chưa từng nghe người nào chạy đến cùng Đức Mẹ xin bảo trợ cứu giúp mà Đức Mẹ từ bỏ chẳng nhậm lời. Nhơn vì sự ấy tôi lấy lòng trông cậy mà chạy đến dâng mình xuống dưới bàn chân Đức Mẹ, xin Đức Mẹ đoái đến tôi là kẻ tội lỗi. Lạy Mẹ là mẹ Chúa cứu thế, xin chớ bỏ lời tôi kêu. Xin hãy lấy lòng nhân từ mà đoái thương cùng nhậm lời tôi cầu nguyện. Amen. Đồng Khánh Mậu Tý trọng xuân hoán tạo”.

Nhà thờ An Vân là ngôi giáo đường độc đáo nhất ở Huế.