Chùa mang đậm phong cách kiến trúc thời nhà Nguyễn, không nguy nga, đồ sộ, lại có nét nhỏ nhắn, khiêm nhường mà tinh tế. Chánh điện được xây theo lối nhà rường truyền thống Huế pha lẫn chút kiến trúc cung đình với mái lợp ngói liệt, cửa sổ trang trí hình chữ "Thọ", xung quanh có tường thành bao bọc. Phía sau Chánh điện, cách một khu vườn lớn, ở giữa lưng chừng núi có gác Đại Từ, gian giữa thờ Phật, gian bên phải thờ Đức Quan Âm và gian bên trái thờ Bồ Tát Đại Thế Chí. Phía sau cùng, trên đỉnh núi là tháp Điều Ngự 3 tầng cao chừng 13m. Đứng ở tầng cao nhất của tháp, phóng tầm mắt ra xa là cảnh non nước hữu tình với đầm phá bát ngát mênh mông và núi non xanh lam mờ ảo.
Ngoài hệ thống kiến trúc mang đậm dấu ấn của phong cách kiến trúc triều Nguyễn, chùa Thánh Duyên còn có 113 cây cổ thụ có tuổi thọ từ 200 - 300 năm như thông, xoài, mù u, mít nài, mít, dầu lai, lim... Thầy trụ trì Thích Minh Chính cho rằng, những cây thông cổ thụ hiên ngang giữa trời như lời thơ của thi hào Nguyễn Công Trứ: “Kiếp sau xin chớ làm người - Làm cây thông đứng giữa trời mà reo” cũng chính là biểu tượng của ngôi quốc tự này.
Đường lên chùa chạy giữa những cây thông cổ thụ, rộng khoảng 5m, dài khoảng 50m, có tất cả 38 bậc tam cấp.Cả 3 kiến trúc là chùa, gác và tháp trải qua mấy trăm năm vẫn còn tồn tại và đã được trùng tu. Riêng tháp Điều Ngự, tọa lạc trên đỉnh núi mà từ đây có thể phóng tầm mắt nhìn toàn cảnh phá Tam Giang, cửa biển Tư Hiền và xa xa là Bạch Mã sơn.