Здание представляет из себя трёхнефную базилику крестообразной формы. Алтарь церкви обращён в сторону бухты Золотой Рог. Над притвором расположена сорокаметровая колокольня, изначально шесть колоколов которой были отлиты в Ярославле на фабрике Петра Оловянишикова. Два из них существуют по настоящее время.
Интерьер церкви создан с стиле модерн (первый пример использования этого стиля в Стамбуле). Иконостас был первоначально разработан по католическим образцам, в результате секретарь экзархата был вынужден обратиться к русским мастерам. В итоге иконостас церкви так же был создан московской фирмой Николая Ахапкина. Иконы написаны русским художником Клавдием Лебедевым.
В богатом декоре церкви присутствуют элементы неоготики и необарокко.
Болгарская церковь вся из металла в Стамбуле.Церковь Святого Стефана один из результатов экспериментирования XIX века с готовыми железными церквями. Англичане, которые изобрели рифлёное железо в 1829 году, изготавливали портативные железные церкви для поставки в такие колонии, как Австралия. Создатель Эйфелевой башни, французский инженер Гюстав Эйфель проектировал железные церкви, которые затем рассылались от Филиппин до Перу. В настоящее же время церковь Святого Стефана — одна из немногих сохранившихся железных церквей.