Nhà hát thành phố thuộc loại di tích kiến trúc nghệ thuật; Diện tích 2016m². Nhà hát lớn Sài Gòn là một đối trọng về mặt kiến trúc với Nhà hát lớn Hà Nội (cất năm 1911, kiến trúc theo mẫu Opéra Garnier tại Paris, 900 chỗ ngồi, kiến trúc sư Broger et Harloy). Nhà hát Sài Gòn giữ riêng nét đặc thù có một không hai. Tác giả của tòa kiến trúc này là các kiến trúc sư Félix Olivier, Ernest Guichard và Eugène Ferret xây dựng năm 1900 theo lối kiến trúc "flamboyant" của thời Đệ tam cộng hòa Pháp.
Cửa mặt tiền chịu ảnh hưởng nghệ thuật khá rõ nét của Petit Palais cất cùng năm tại Pháp. Thiết kế bên trong tân tiến với đầy đủ thiết bị cho âm thanh và ánh sáng. Ngoài tầng trệt còn 2 tầng lầu tổng cộng 1800 chỗ ngồi. Toàn bộ các mẫu trang trí, phù điêu mặt tiền và nội thất đều được một họa sĩ tên tuổi ở Pháp vẽ giống như mẫu của các nhà hát ở Pháp cuối thế kỷ 19 và gửi từ Pháp qua.
Tuy vậy, về phần trang trí ở mặt tiền nhà hát cũng có nhiều lời chỉ trích. Theo phong cách Đế quốc (sau được trang trí thêm theo phong cách Beaux Arts, rồi giản tiện hóa kiểu Art Deco), mặt tiền nhà hát được trang trí nhiều phù điêu và tượng đắp nổi giống như tòa thị chính, nên bị chỉ trích là khá rườm rà và rối rắm. Vì vậy vào năm 1943, một số chi tiết trang trí này đã bị dỡ bỏ với mục đích trẻ trung hóa phong cách kiến trúc.
Vào năm 1998, nhân dịp kỷ niệm 300 thành lập Thành phố Hồ Chí Minh, chính quyền đương thời phục hồi chức năng cũ là nhà hát thành phố cũng như đã cho phục hồi một số trang trí như tượng 2 nữ thần nghệ thuật, các dây hoa, hai cây đèn... trong đợt cải tạo và nâng cấp nhà hát.
Hiện nay, vườn hoa trước Nhà hát Lớn đã được dỡ bỏ để xây dựng công trình metro đầu tiên của Thành phố Hồ Chí Minh, cũng như của toàn Việt Nam.