Вся красота и значимость Адмиралтейской церкви заключаются в её главном квадратном нефе, созданном московскими зодчими. Пять глав, украшающих храм, свидетельствуют о влиянии нового стиля, привнесённого в Москву Иоанном III. Характерной чертой того времени является соотношение узкой ширины и длины с большей высотой, что символизирует стремление молитвы к небесам. Двухъярусный неф с окнами поддерживает крышу, переходящую из четырёх скатов в купольный свод, что является уникальной конструкцией, поскольку крыша не отражает своды потолка, как отметил историк Николай Васильевич Валукинский.

Архитектурный замысел храма типичен для конца XVII, начала XVIII веков. Четверик, двухъярусный и кубический, имеет квадратный план и увенчан пятиглавием. Центральный барабан световой и больше угловых, которые не пропускают свет. С востока к храму примыкает трёхчастная апсида, равная по ширине четверику, но ниже по высоте. Внутренние пространства дьяконника и жертвенника составляют половину алтаря, хотя снаружи кажется, что все части апсиды равны. Трапезная и колокольня, построенные позже, выполнены в стиле классицизма. На южной стене четверика размещены две доски, одна из которых сообщает о восстановлении церкви к 300-летию Российского военно-морского флота в 1996 году. Другая доска, установленная в 2003 году, отмечает, что здесь русский военный флот получил первое благословение перед Азовским походом.

Крышу венчают пять глав на небольших барабанах с луковичными куполами. Декор барабанов, по мнению Валукинского, напоминает московские церкви, но не является их копией. Центральный барабан световой, остальные, нет. Декор центрального барабана восходит к новациям Алевиза Нового. Карниз под крышей переходит в пилястры, украшенные карнизами, что придаёт зданию оригинальный вид. Наличники на окнах выполнены в стиле XVII века, но фресок в церкви нет, а остатки прежних росписей скрыты штукатуркой.

В начале 2000-х в храме установили стенды с фотографиями, рассказывающими об истории церкви. Юго-восточный угол трапезной мемориальный, здесь размещены доски в честь моряков, погибших на "Комсомольце" и "Курске", а также других памятных событий. Установлены барельефы Петра Великого и адмиралов, иконы и Андреевский флаг, переданный церкви в 2003 году вместе с иконой святого Феодора Ушакова.

Внутри храма интересна система поддержки сводов: арки опираются на два столпа в центре четверика. Своды, кроме центрального, глухие, и барабаны не видны изнутри. Декор столпов с барочными элементами, вероятно, появился позднее. Высота храма составляет 13,1 метра, колокольни, 21,4 метра. Стенопись оштукатурена, а участок земли под храмом занимает 0,142 гектара.