พระอุโบสถเป็นอาคารก่ออิฐถือปูนมีระเบียงทั้งด้านหน้าและด้านหลัง หลังคาลด ๓ ชั้นมุงกระเบื้อง ประดับช่อฟ้า ใบระกา หางหงส์ หน้าบันจำหลักรูปเทพพนม และรูปพระนารายณ์ทรงครุฑปิดทอง บานประตู หน้าต่าง เขียนลายรดนํ้าทรงพุ่มข้าวบิณฑ์ ภายในพระอุโบสถมีพระประธาน เป็นพระพุทธรูปปางมารวิชัย มีพระอัครสาวกนั่งประนมมืออยู่ข้างซ้ายขวาข้างละองค์ นั่งพับแพนงเชิงอยู่บนแท่นบัวคว่ำบัวหงายผินหน้าเข้าหาพระประธาน จิตรกรรมฝาผนังภายในเป็นภาพเทพชุมนุม เป็นเรื่องทศชาติและพุทธประวัติตอนผจญมาร และตอนเสด็จลงจากดาวดึงส์ เป็นภาพที่ยกย่องกันว่างามยอดเยี่ยมของยุครัตนโกสินทร์ ซึ่งเป็นฝีมือของช่างที่มีชื่อเสียงในรัชกาลที่ ๓

พระเจดีย์ประจำมุมภายในพระระเบียงคดวัดดุสิดาราม ประกอบด้วยพระเจดีย์ ๒ รูปแบบ คือ พระเจดีย์ประจำมุมทรงปรางค์ย่อมุมไม้ยี่สิบ ๒ องค์ ด้านหน้าซ้ายและขวาของพระอุโบสถ โดยมีทรงปรางค์เป็นรูปทรงดอกข้าวโพดประกอบด้วยส่วนฐานรองรับส่วนกลางที่เป็นเรือนธาตุ และส่วนยอดที่เป็นชั้นซ้อนลดหลั่นกันไป ส่วนเรือนธาตุปิดทึบตันไม่มีการเจาะช่องคูหาภายใน และพระเจดีย์ประจำมุมทรงเครื่องย่อมุมไม้สิบสอง ๒ องค์ อยู่ตำแหน่งด้านหลังซ้ายและขวาของพระอุโบสถ เป็นพระเจดีย์ทรงเครื่อง มีการประดับลวดลายปูนปั้นที่บัวกลุ่มรองรับองค์ระฆัง รวมทั้งมีลวดลายบัวคอเสื้อที่ส่วนบนขององค์ระฆัง

พระระเบียงคดล้อมรอบพระอุโบสถทั้ง ๔ ด้าน ด้านในมีหลังคาพาไลคลุมเฉลียง ผนังด้านนอกก่อทึบ ผนังด้านในโปร่งเป็นระเบียงทางเดิน มีซุ้มประตูเข้าออกเป็นหลังคาทรงจั่วปั้นหยา โดยมีลักษณะเฉพาะคือ ผนังด้านในมีการเจาะช่องจระนำประดับพระพุทธรูปยืนปางถวายเนตรลงรักปิดทองรอบระเบียงคด จำนวน ๖๔ องค์ บนพื้นผนังเขียนจิตรกรรมภาพพระสาวกยืนและนั่งปลงกรรมฐานบนพื้นสีน้ำตาลที่เป็นฉากธรรมชาติลายดอกไม้ ใบไม้และสัตว์นานาชนิด