Plan en croix latine, lambris de couvrement, coupole, clocher latéral.

Destinée à accueillir un millier de fidèles, les dimensions de l'église sont importantes: 46 mètres de longueur et 28 mètres de largeur. L'extérieur de l'édifice se présente comme un emboîtement de formes géométriques avec un effet pyramidant.

Matériaux locaux employés pour la construction: le schiste violet de Pont-Réan pour les soubassements ; le grès blanc de Saint-Gervais pour les murs en élévation et le ciment armé pour les structures. Ces matériaux forment un ensemble harmonieux souligné par les colorations bleu foncé de l'ardoise d'Angers.

La façade principale est précédée d'un porche dont le fronton est orné d'un motif représentant une "Hostie" portant la croix en surimpression et entourée de deux colombes. Le fronton est dominé par un Christ en croix. La façade est flanquée d'une haute tour qui soutient une flèche surmontée d'une croix qui domine la soixantaine de mètres du sol. A côté de cette tour une tourelle abrite un escalier d'accès à la tribune et est couronné d'une "lanterne des morts". Des animaux fantastiques sculptés par Paul Bourget au bas des rampants servent de gargouilles.

Croisée de transepts surmontée d'un dôme pyramidal reposant sur quatre arcs qui s'entrecroisent en s'appuyant sur des colonnes rondes, basses et trapues. L'église se développe autour de ce carré de transept de 12 mètres de côté couvert d'un dôme de 33 mètres. Ici le béton permet un amincissement des supports et se prête aux nouvelles exigences de la liturgie en créant un espace unitaire avec un autel visible de toutes parts.

Baptistère situé au sud/ouest de l'édifice. Fonts baptismaux clos par une grille en fer forgé rehaussé de cuivre dans laquelle s'enchâssent dans des volutes de métal les lettres Alpha et Oméga. La cuve baptismale est en pierre blanche, de forme octogonale supportée par quatre colonnettes qui reposent sur un dallage en émaux de Briand aux colonnes heurtées.

L'édifice dispose aussi d'un orgue de 21 jeux avec deux claviers et un chevalet ainsi que de cinq cloches.

L'église Sainte-Thérèse est ornée d'un programme décoratif très riche réalisé par des artistes rennais autour du thème de l'Eucharistie.