Het ronde gebouw, met een zuilengang bestaande uit drie rijen Korinthische zuilen (8 in de eerste rij, 16 in totaal), bestaat uit een betonnen koepel, met een centrale opening (de oculus, diameter 8,7 meter). Deze opening is ook echt open en het regent dus soms naar binnen. De vloer is licht gebogen om het regenwater af te voeren. De diameter van de koepel is gelijk aan de hoogte van de vloer tot aan de oculus: 43,30 meter. Hierdoor zou het inwendige van het gebouw perfect in een kubus met een ribben van 43,30 meter passen, of anders gesteld: men kan perfect een bol met een diameter van 43,30 meter in het gebouw plaatsen.

De grote koepel bleef tot 1434 de grootste betonnen koepel ter wereld, toen in Florence een grotere koepel werd gezet op de Santa Maria del Fiore, die een diameter van 45 meter heeft. Het blijft echter tot op vandaag nog altijd de grootste koepel van ongewapend beton ter wereld.