Mỗi tòa nhà có hai tầng mái kiểu chồng diêm: mái trên có múi in nổi hình lá đề, lớp dưới là ngói lót hình vuông sơn ngũ sắc như màu áo cà sa xếp trên những hàng rui gỗ làm thành ô vuông vắn đều đặn. Mái chùa có những góc đao cong vút được kết hợp bởi hai loại vật liệu chính là gỗ và đất nung, với những đường nét nổi lên hình hoa, lá, rồng phượng rất sống động, vươn cao tới 2,2m. Xung quanh diềm mái của ba toà nhà đều được chạm trổ tinh tế theo hình lá triện cuốn rất công phu. Tường chùa xây toàn bằng gạch Bát Tràng, các cột gỗ đều kê trên đá tảng xanh, khắc hình cánh sen.

Không chỉ nổi bật với kiến trúc độc đáo, chùa Tây Phương còn là nơi tập trung những tác phẩm đặc sắc của nghệ thuật điêu khắc tôn giáo bao gồm chạm trổ, phù điêu và tạc tượng. Hầu hết các đầu bẩy, các bức cổn, xà nách, ván long... làm bằng gỗ trong chùa đều được bàn tay của các nghệ nhân chạm trổ những hình ảnh quen thuộc của dân tộc Việt  Nam như: hình lá dâu, lá đề, hoa sen, hoa cúc, rồng, phượng, hổ phù... Tác giả của những tác phẩm điêu khắc tinh xảo này chính là các nghệ nhân làng mộc trong vùng Tổng Nủa, làng truyền thống Chàng Sơn – làng mộc nổi tiếng nhất xứ Đoài thời bấy giờ.

Điểm nổi bật nhất ở chùa Tây Phương là các bộ tượng. Trong chùa có hơn 70 pho tượng cùng với các bức phù điêu, chủ yếu được tạc bằng gỗ mít sơn son thếp vàng, như các bộ tượng Tam Thế Phật, bộ tượng Di Đà Tam Tôn, tượng Tuyết Sơn, tượng Bồ tát Di Lặc, tượng Bồ tát Văn Thù, tượng Bồ tát Phổ Hiền, ... Nhiều pho được tạc cao hơn người thật như 8 pho tượng Kim Cương và Hộ Pháp, cao chừng 3 m, trang nghiêm phúc hậu. Phần lớn các tượng này đều được coi là có niên đại cuối thế kỷ 18. Một số tượng khác được tạc vào giữa thế kỷ 19. Đặc biệt là tượng 18 vị La Hán được thờ ở chùa Thượng. Đó là 18 vị Sư tổ của Phật giáo. 18 bức tượng là 18 cá thể, mỗi người một dạng vẻ, một tư thế, ai nấy đều có nét riêng biệt, chân thực.