A templom háromtengelyes, háromszintes nyugati homlokzata a XIX. század óta látható jelenlegi formájában. A Schulek-féle nagy átalakítás eredményeként ma a homlokzat középtengelyében látható bélletes kapu oszlopfejezetei között eredeti középkori faragványok is láthatók, felette a rózsaablak is középkori töredékek alapján készült. Érdekesség, hogy a homlokzatot lezáró csúcsívekkel díszített, áttört, háromszögű oromzat csúcsán olvashatók a templom külső felújításának dátumai is: 1888, 1940, 1958 és 2009.

A nyugati homlokzat legmeghatározóbb eleme a déli harangtorony. A XV. századi gótika stílusában kialakított tornyot 1470-ben fejeztette be Hunyadi Mátyás. Ekkor került a torony falára a király koronás címere, ezért nevezik az épületrészt Mátyás-toronynak is. A templomnak három tornya van: a nyugati homlokzat magasba törő Mátyás-tornya és a zömökebb kialakítású, fiatornyos Béla-torony, a hossz- és kereszthajók találkozásában pedig egy könnyűszerkezetes huszártorony. A nyugati tornyok négyzetes alapjai a XIII. századból valók. A Mátyás-torony motívumkincsét a XV. századi klasszikus gótika formái határozzák meg, a csipkés kősisak Schulek Frigyes tervei alapján készült a XIX. században.

A déli homlokzaton két kapu között három hatalmas csúcsíves ablak látható. A szentélyhez közelebb eső Menyasszony-kaput a XIX. századi felújításkor bontották ki. Az 1250-es években készült kapu későbbi befalazásához különböző szobortöredékeket is felhasználtak. Schulek a kapu renoválásához XIII. századi műemlékekre jellemző motívumokat használt fel, így például a jáki templom díszítése is hatással volt a tervező építészre. A Mátyás-toronyhoz közelebb eső Mária-kapu elé Schulek előcsarnokot emelt. Ez védi a XV. századi gótikus faragványokat őrző bejáratot, melynek domborműve Mária elszenderedésének és mennybevételének jelenetét ábrázolja.

A Mária-kaput Schulek Frigyes a XIX. századi régészeti feltárás és restaurálás során találta meg befalazva. A kapu a magyar középkori építészet és épületszobrászat egyik legfontosabb emléke. A középkori, XIV–XV. század fordulóján készült, kétnyílású, szoborbélletes kaput a Szűzanya elszenderülését és mennybevételét ábrázoló timpanon díszíti. Érdekesség, hogy a faragott jeleneten a Szűzanya nem ágyban fekszik, hanem utolsó imáját mondja egy imazsámolynál, lelke pedig koronás csecsemő képében érkezik Krisztushoz.

A templom terét a XIII. században bazilikális rendszerben hozták létre. Ez azt jelenti, hogy a háromhajós hosszház két mellékhajója alacsonyabb volt, míg a főhajó magasabb boltozatot kapott. A főhajó tere a mellékhajók fölé emelkedő fal, a gádorfal ablaknyílásain keresztül kapott közvetlenül fényt. Erre a rendszerre utal a templomban ma látható mennyezetfestés, ugyanis ahol magasabb boltozatú terek voltak, ott a díszítőfestés háttere kék, ahol a boltozatok alacsonyabban voltak, ott a festés hátterének színe sárga. A jelenlegi csarnokteret a mellékhajók megemelésével hozták létre a XIV–XV. században.

A Hunyadi-család hollós címere látható Mátyás király koronás címerét ábrázoló dombormű közepén. A faragott, festett címer eredetileg a harangtorony oldalát díszítette, emléket állítva a torony XV. századi renoválásának és az építtető királynak. A torony falán jelenleg a címer egy másolata látható. A templomtérben Schulek Frigyes helyezte el az eredeti reliefet, hogy így óvja meg azt az időjárás viszontagságaitól.

A harangtorony aljában, a főkaputól jobbra található a loretói Madonnának szentelt kápolna. A kápolna gazdag díszítése a Szűzanya szimbólumait vonultatja fel. A szárnyasoltár középső fülkéjében látható a loretói kegyszobor XVII. századi másolata. A templom legdíszesebb kápolnájának ablakain és a kapujának rácsán megjelenő rózsamotívum is Máriát jelképezi.

A főkaputól balra a Béla-torony aljában található Budapest legrégebbi, eredeti helyén talált és restaurált középkori kőfaragványa. Két csuklyás alak egy könyvre mutat a falpillér fejezetén, mely valószínűleg a templomépítés vége felé az 1260-as években készülhetett. A toronyaljban található ablak jellegzetes kialakítása Schulek Frigyes találmánya, ezzel oldotta meg azt a problémát, hogy a külső homlokzat és a belső tér szimmetriatengelye nem esik egybe.

A Béla-toronyaljban található falképen a török elleni fellépésnek állított emléket Lotz Károly. A falképtriptichon csúcsán megjelenik a déli harangszót elrendelő III. Callixtus pápa. Bullájában arra szólította fel a keresztény Európát, hogy a déli harangszó hívására Mária közbenjárását kérjék a török hadak megállításáért. A két másik képen a keresztes seregek élén harcoló Kapisztrán Szent János, és a bulla kihirdetését hallgató Hunyadi János látható.

A kápolna a XIX. században a Zichy család anyagi támogatásával épült. A kápolna oltárán Szent Imre, Szent István és Szent Gellért szobrai között szerepel. A szárnyakon a titulusszent életének fontos eseményeit Zichy Mihály festette meg. A kápolna nyugati falára az adományozó Zichy Ferenc védőszentjét, Assisi Szent Ferencet ábrázoló falképek kerültek.

A kápolna oltárán egy különleges Szentháromság-ábrázolás, a Kegyelem trónusa látható. A szárnyasoltár a felvidéki felsőerdőfalvi templomból származik, a XV. században készült és a XIX. században került a Budavári Főtemplomba. Ebben a kápolnában kapott helyet 1898-ban III. Béla király és felesége, Anne de Châtillon síremléke is.

A bárányos ablakkal szemben, a szentély mellett található a Szent László-kápolna. A lovagkirály életének fontos legendáit és a halála után a nevéhez fűződő csodás eseményeket festette meg Lotz Károly a kápolna két falán. Az oltár feletti falon László király és a szentté avatását kezdeményező III. Béla király és a szentté avató pápa, III. Celesztin arcképei is megjelennek. Az oltáron helyezték el Szent László király Győrben található fejereklyetartójának másolatát is.

A nyújtott, sokszögzáródású szentély középtengelyében áll a templom főoltára. A Szűzanyának szentelt oltár historizáló felépítményén román és gótikus stílusjegyek is felfedezhetők. Az oltár központi figurája a sugárkoszorúban megjelenő Szűz Mária. Az oltár mögött a szentély ablakai két sorban helyezkednek el, rajtuk az egyetemes egyházhoz és a magyar koronázási eszmekörhöz kapcsolódó szentek és jelenetek láthatók.

A szentély és a Menyasszony-kapu között található a Szent Kereszt-kápolna. Az oltárt díszítő kálvária és piéta szobrait Mikula Ferenc faragta. Az ülőfülkékben az Arma Christi, vagyis a szenvedés eszközei, valamint az Oltáriszentség szimbólumai jelennek meg. Az oltár mögötti falat a főszentélyben és az ablakok keretein megjelenő motívumokhoz hasonló, indás-leveles növényi ornamentika díszíti.

Az északi oldalon külön kápolnaként kapcsolódik a templomhoz a Szent István-kápolna. A Garai család temetkező kápolnájának helyére épült, neogótikus kápolnában a Szent Jobbot szerették volna elhelyezni. Ablakain és falképein magyar szentek és Szent István király jobbjához fűződő csodás események láthatók. A Szent Jobbot végül sosem őrizték a kápolnában, ezért az ereklyéhez kapcsolódó király, Szent István lett a kápolna titulusszentje.

A déli falon elhelyezkedő hatalmas csúcsíves ablakok három szent asszony életét mesélik el. A középső ablak Szűz Mária, a másik kettő Szent Margit és Szent Erzsébet életének és legendáinak fontos eseményeit ábrázolja. A két magyar királylány szorosan kötődik a templomot alapító IV. Béla királyhoz, hiszen Margit a király leánya, Erzsébet pedig a testvére volt.

Már Mátyás uralkodásának idejében is volt a templomnak ének-zenei együttese. Az itt szolgáló ének- és zenekarnak olyan neves karnagyai voltak, mint Sugár Viktor vagy Bárdos Lajos. A templom ma is látható legfontosabb hangszere Ferenc József anyagi támogatásával készült el 1909-ben, ezért a „Király orgonájának” is nevezik. A hangszer Budapest legnagyobb orgonája, a karorgonával együttesen is megszólaltatható, összesen 7771 sípja, 111 regisztere és négy játszóasztala van.

A templom történetében több alkalommal előfordult, hogy a győzedelmes hadjáratok után a zsákmányolt zászlókat a Budavári Főtemplomban kiállították. 1444-ben Hunyadi János balkáni hadjárata után is kifüggesztették a megszerzett ellenséges zászlókat. A templomban látható zászlók az 1867-es koronázásra készült dekoráció részei voltak. A történelmi Magyarország tartományainak zászlói bizonyára nem a templomban kerültek felhasználásra, hanem valamilyen reprezentatív útvonalon a városban, ugyanis nincs rajtuk a királyi pár neve és a koronázás dátuma sem. A koronázás után lett a templom gyűjteményének része. Jelenleg az eredeti zászlók reprodukciói láthatók.

Az 1867-es koronázás után a templom kitüntetett épület lett, ezért a XIX. századi restaurálás során a királyi család számára leválasztott, külön teret hoztak létre. A szentélyre néző királyi oratóriumba egy elegáns, áttört korlátú, hatszögletű neogótikus lépcső vezet fel.

A káptalani sekrestye felett található kis orgonakarzaton alakították ki a Magyar Máltai Lovagok Szövetségének kápolnáját. A lovagrend 1928-ban alakult újra, de már 1927-ben létesítettek egy kápolnát a Budavári Koronázó Főtemplomban, ahol fontos ünnepeik alkalmával találkozhattak, imádkozhattak. A kápolna és a hozzá vezető folyosók falain helyezték el a már elhunyt lovagok családi címereivel díszített pajzsokat.

Az északi mellékkápolnák feletti teremsor jelenleg a múzeum kiállításainak nyújt helyszínt. A Béla-torony és a Béla-termek nevüket a templomot alapító magyar királyról, IV. Béláról kapták.