L'orientation de l'église sur un axe nord-ouest / sud-est, inhabituelle pour un édifice cultuel catholique, est conditionnée par le réaménagement global du quartier réalisé au milieu du XIXe siècle. La façade sur l'avenue reprend la largeur de la voie bordée par deux tourelles de pierre formant pinacles. Le clocher comprend un porche et deux bas-côtés qui permettent l'accès à une tribune ainsi qu'à la chambre des cloches avec un beffroi à trois niveaux. Le tympan au-dessus du porche est orné d'une peinture représentant Sainte-Anne, la Vierge et deux anges. La flèche en pierre calcaire culmine à 46 mètres et domine la Loire de 81 mètres. La nef à simple vaisseau de cinq travées est couverte, intérieurement, de voûtes barlongues en brique sur nervures de pierre et, extérieurement, d'une couverture ardoisée à deux versants sur une charpente en sapin. Des contreforts peu saillants contrebutent la poussée des voûtes et sont surmontés de petits pinacles. Les baies à meneau central éclairent de part et d'autre la nef à chaque travée. Des entrées latérales sont ménagées dans la nef à proximité des bras du transept. Celui-ci reprend perpendiculairement le même gabarit que la nef. Deux chapelles sont installées : l'une dédiée à la Vierge à gauche, l'autre à Sainte-Anne à droite. Chaque pignon est percé d'une large baie. Le chœur comporte une travée et une abside à cinq pans. Plusieurs sacristies enveloppent le chevet avec une série d'absidioles. Le décor intérieur est représentatif du style néo-gothique : nervures moulurées, frise et corniches à feuillage, baies à meneaux, autels et retables en marbre et stuc polychrome, mobiliers sculptés. L'orgue, construit en 1891 par Louis Debierre, est placé derrière le maître-autel entre deux piliers. Restauré entre 2005 et 2011, l'ensemble forme un volume intérieur clair et harmonieux.