La basilica presenta una facciata progettata da Arcangelo Guglielmelli che riuscì ad inglobare nel nuovo progetto le uniche due colonne corinzie, alte 11 m circa e risalenti all'antico tempio dei Dioscuri di Napoli, rimaste in piedi a seguito del terremoto del 1688. Le stesse vengono così lasciate ai lati dell'ingresso principale. Ancora più ai margini della facciata principale sono collocate entro due nicchie statue raffiguranti i santi Pietro (a sinistra) e Paolo (a destra), entrambe di Andrea Falcone del 1671.
Priva di cupola, è a croce latina, a tre navate con cappelle laterali ed abside poligonale, fiancheggiata da due cappelle. Le navate minori presentano un'alternanza di cupolette ellittiche e di volte a crociera. Nella facciata interna, Santolo Cirillo, nel 1737, rappresentò la Dedicazione del tempio di Salomone. Sulla sinistra del presbiterio, è presente la cappella Firrao (la cui impostazione complessiva si deve al Fanzago), elegantemente decorata da tarsie marmoree tra il 1640 ed il 1642; conserva due sculture di Giulio Mencaglia raffiguranti la Madonna delle Grazie e Antonino Firrao posto sulla destra, mentre sulla sinistra il ritratto di Cesare Firrao è opera di Giuliano Finelli, collaboratore del Bernini a Roma.
L'altare maggiore del presbiterio è del teatino Anselmo Cangiano così come il ciborio di pietre rare, a forma di tempietto, che fu realizzato da Raffaele Mytens, detto il Fiammingo. Nella volta della navata centrale, si conserva in stato frammentario uno stupendo ciclo di affreschi tra i più importanti di Massimo Stanzione del 1644, gravemente danneggiati durante i bombardamenti del 1942, raffiguranti le gesta degli apostoli Pietro e Paolo.
Adiacenti al convento sono i due monumentali chiostri di San Paolo Maggiore. Il chiostro piccolo si trova sul fianco sinistro della basilica ed è caratterizzato da una serie di colonne antiche appartenenti all'originaria chiesa paleocristiana che insistenva nell'area, mentre il chiostro grande, in linea d'aria alle spalle dell'abside, costituisce l'archivio notarile di Napoli, conservando al suo interno protocolli notarili della città dal XVIII secolo ad oggi.
