L'église est construite selon un plan en croix latine à transept peu saillant. Contrairement aux termes du marché, les bras du transept ne sont pas à pans coupés mais droits. Le bras sud est ouvert sur les chœurs bas et hauts des religieuses (aile sud-ouest) et le mur gouttereau sud ferme en grande partie la cour du tour. Les sacristie, confessionnaux et apothicairerie sont pour leur part placés dans l’axe du chœur et forment au rez-de-chaussée, le départ de l’aile nord-est du cloître. Aussi église paroissiale, elle est accessible aux habitants du faubourg par l’ancien parvis qui se situait à l’emplacement de l’actuelle place André Counord ainsi que par une porte située le long de la rue Horeau. Dans le respect de la clôture, les religieuses n’ont accès à l’église que de manière indirecte, par une pièce intermédiaire qui se situe entre le chœur et le cloître.

Son plan en L, en prenant en compte les chœurs des religieuses, s’inscrit parfaitement dans ce que l’on pourrait appeler le « plan type » mis en œuvre par les architectes au profit des communautés religieuses féminines post-tridentines au XVIIe siècle. Une telle organisation permet de disposer d’une nef dédiée aux laïcs où officie un prêtre disposant de son propre accès à la sacristie et à l’espace sacré. Le chœur des religieuses, placé en équerre par rapport à la nef et dans le prolongement du transept, permet ainsi d’isoler au moins visuellement les sœurs. Ici, il existe toujours les chœurs bas et haut, l’un, sans doute celui du rez-de-chaussée, devait être destiné aux novices et aux religieuses alors que le chœur haut dont l’accès se fait uniquement par le couloir des cellules des religieuses, était strictement réservé à ces dernières.

Les élévations, tant sur la cour du tour que sur la rue sont très dépouillées et consistent simplement en des maçonneries de moellons enduits percées de grandes baies plein-cintre. Les chaines d’angles qui structurent l’édifice apportent un peu d’animation aux surfaces murales achevées par horizontalement par une corniche continue agrémentée de denticules. La simplicité choisie pour ces élévations tranche avec la composition en pierre de taille de la façade. Bipartite, son premier niveau est rythmé par quatre pilastres doriques en bossage plat installés sur de hautes bases. Tous portent un entablement singulier à l’architrave dépourvue de profondeur et dont la frise laissée nue semble disproportionnée. La travée centrale rompt le plan vertical par un léger ressaut selon la formule développée en Italie puis en France. Le chambranle de la porte est orné de décors végétaux sculptés et surmonté d’une niche à crossettes flanquée d’ailerons à volutes et cornes d’abondance. Renfermant initialement une figure de sainte Ursule, elle accueille aujourd’hui un saint Louis. Motif traditionnel dans le répertoire des Corbineau, un angelot parachève à son sommet le cul-de-four de ce percement. Le registre supérieur est également composé autour de l’axe central occupé par une grande baie plein-cintre. Cette dernière est inscrite dans un mur traité en bossages plats et flanquée de pilastres toscans portant directement un grand fronton triangulaire à partir duquel sont initiés trois retraits. La partie inférieure de ce registre reçoit des moulurations horizontales issues des bases des pilastres qui font écho à l’entablement du dessous. L’effet pyramidant n’est pas créé ici par l’usage d’ailerons mais par la mise en œuvre de pans inclinés dont les rampants sont ornés de figures d’angelots tenant chacun deux bouquets de fleurs et de fruits. La façade est finalement achevée par un édicule carré encadré d’ailerons à volutes complétés de feuillages et surmontés d’un fronton curviligne. Les instruments de la passion et la croix nimbée qu’il porte sont des ajouts effectués par l’architecte Fouilleul au milieu du XIXe siècle.