ישנו מרכיב חדשני בעיצוב הפנתאון שאינו דומה לקודמיו והוא האופן שבו הפרונאוס חובר לרוטונדה. בשל העובדה שלבחירה עיצובית זו לא היו תקדימים, אלמנטים מסוימים בעיצוב אינם מושלמים כפי שהיו בטיפוס בניין רווח. יש המייחסים למפגש זה מקום שולי בקומפוזיציה הכוללת של המבנה ויש אשר לאורך השנים, הטיחו ביקורת נרחבת בנושא זה, היות שנראה שישנם רכיבים אדריכליים רבים שאינם מתיישבים זה עם זה. כך למשל האופן שבו הקרניז של הפרונאוס נבנה בין שני הקרניזים ההקיפיים של הרוטונדה ונמצא בהסתה לקרניז של הבלוק המתווך. ייתכן שהאדריכל תכנן במקור להשתמש בעמודים גבוהים ורחבים יותר בפרונאוס אשר היו מאפשרים לו להתחבר לרוטונדה באופן יותר אסתטי והרמוני, כך שהקרניזים של שני רכיבי המבנה היו מתיישרים זה ביחס לזה. אם לדוגמה היו משתמשים בעמודים באותם הממדים כמו במקדש מרס (Ultor Mars) וטראיאנוס (Divus Traianus), הקרניז של הפרונאוס היה מתיישר עם זה של הבלוק המתווך. כמו כן, היחס בין קוטר העמודים התחתון לבין מהמרווחים שבין העמודים היה שומר על הפרופורציה הקלאסית: מרחק בין עמודים השווה ל-1.5 מן הקוטר התחתון של העמוד, כפי שמופיע במקדשים רומאים אחרים (לדוגמה: Ultor Mars, castor and pollux, Vespasian). בפנתאון לעומת זאת, היחס בין מרווחי העמודים לקוטרם הוא 1:2. לעין המיומנת בסדר הקלאסי ובפרופורציות שלו, צורם מראה העמודים כדקים ומרוחקים זה מזה יתר על המידה בעוד שהגמלון כבד וגדול מידי. ככל, פרטי המבנה יוצרים את הרושם שבוצעו בו שינויים בעיצוב תוך כדי הבנייה באופן לא מתוכנן, ייתכן אף שמחסור לא צפוי באספקת עמודים בגובה הדרוש הביא לתוצאה הנוכחית. זאת ועוד, זווית הבסיס של הגמלון היא 23 מעלות בעוד זווית של 15–18 מעלות נחשבה בזמנו לפרט אופייני יותר לבנייה. יש לשער שהיה זה ניסיון להגביה את הגמלון ובכך לחפות על השימוש בעמודים הקצרים מידי שבבסיסו. כמו כן, בצורה כזו סופקו פני שטח גדולים יותר להוספת עיטורים בחזיתו של הגמלון. בריצוף שהתגלה מול מאוזוליאום אוגוסטוס ניתן לראות תחריט המתאר את תבנית העיצוב של גמלון הפנתאון. התחריט תואם למה שבוצע בפועל מבחינת גובה האפריז, שיפוע הגמלון, הקרניזים ומרווחי העמודים. אולם אין בכך כדי לסתור את ההשערה שהפנתאון בוצע שלא כמתוכנן, כלומר שהעמודים בו היו אמורים להיות יותר רחבים. זאת משום שתבנית זו הכתיבה רק את מרכזי העמודים ולא את קוטרם. זאת ועוד, בתחריט זה יש תבנית יחידה לכותרות העמודים וזו אינה תואמת לעמוד בגובה של 14.2 מטר (48 רגל רומאי), כפי שנבנה בפועל, אלא לעמוד בגובה של 17.75 מטר (60 רגל רומאי).
הרוטונדה.
זהו החלק במבנה שהופך אותו ממקדש רומאי טיפוסי לחלל שמעוצב באופן מהפכני: רוטונדה המקורה בכיפה ובקצהה אוקולוס, הפתח היחיד דרכו נכנס האור לחלל. קוטרה הפנימי של הכיפה הוא 43.8 מטר וגובהו של החלל הוא כמעט זהה: 43.44 מטרים. קירות הגליל והקשת של הכיפה עולים לגובה של 21.72 מטר, כך שניתן למעשה לשרטט עיגול שלם בחתך של המבנה. חללו הפנימי העגול של הפנתאון מתייחס למבנים עגולים אחרים כגון: המקדש העגול ליד הטיבר (Temple of Hercules Victor), האולם המתומן בארמון הזהב של נרון (Domus Aurea) וחללים עגולים בפורומים של אוגוסטוס וטראיאנוס. תקדימים אשר השפיעו באופן משמעותי על עיצובו של הפנתאון. עם זאת, לא מדובר בחיקוי ישיר, אלא בתמורות שעברו האלמנטים במבנה, הן בעיצוב הצורה הכוללת והן בפרטי הבנייה השונים.
עקרונות הנדסיים.
בתכנון ההנדסי של המבנה ישנו חידוש והתחכמות המתבססים על יישומים שונים של בטון רומאי (opus caementicium). למסד המבנה נעשה שימוש בבטון עם אגרגטים מחלקיקי טרוונטין (Travertine) והוא נבנה בעובי של 7.30 מטר. בטון בעל מעטפת לבנים שימש לבניית הקירות בעובי של 6.20 מטר. כיפת החלל נבנתה מבטון עם תערובת של אגרגטים מפומיס בחלקיה העליונים. עובייה 5.90 מטר בחלקיה התחתונים ו-1.50 בחלקיה העליונים, בסמוך לאוקולוס. בצורה כזו חולק העומס העצמי של חלקי המבנה בהדרגה וכך נמנע מן הכיפה הגדולה לקרוס לתוך עצמה. אמצעי נוסף ששימש לחיזוק הוא עיבוי הכיפה באמצעות סדרה של טבעות מדורגות. לטבעות כבדות אלו משקל המהווה כוח נגדי לכוחות פישוק שבבסיס הכיפה, בדומה לכוחות הפועלים בקשת. על כן, כלפי חוץ, כיפת הפנתאון נראית כדמוית קערה הפוכה ולא כהמיספירה מושלמת כפי שהיא נראית מבפנים. עם זאת, הקירות אינם בנויים כמסה מלאה ואחידה אלא "מחוררים" על ידי נישות, חדרי מדרגות וחללים קטנים המשולבים בתוכם. מערך זה, דמויי כוורת (Honeycomb structure), המבוסס על קשתות בכיוונים ניצבים, מאפשר לשאת בעומס הרב של הכיפה מבלי להשקיע מסת חומרי בנייה גדולה. הנישות מחלקות את קירות החלל לשמונה מוקדים נושאי עומס, עמודים למעשה, המחוברים ביניהם על ידי קשתות מקלות וקמרונות. נעשה כאן שימוש בעיקרון הנדסי הדומה לזה של האקוודוקט: כל קמרון או קשת מהווה כוח מנוגד לקשת הסמוכה לו, מתוך ההבנה שכוחות שווי גודל הפועלים על אובייקט בכוונים מנוגדים, תורמים ליציבותו הסטטית. ניתן לזהות את מיקומם של שמונת העמודים התומכים והקשתות המקלות בפן הקירות החיצוני של הרוטונדה.
גימור קירות חיצוני.
בזמנו של אדריאנוס, פניהן החיצוניות של לבני הקיר לא היו חשופות כפי שהן כיום, אלא חופו בשכבת גבס או סטוקו. ניתן לזהות במבנה שרידים לחיפוי זה, באזור הקרניזים ומסגרות החלונות. לא ידוע מה היה גימורה של אותה שכבת גבס, אם כי סביר להניח שהייתה מצוירת באופן המדמה בנייה בסגנון Ashlar האדריכל אנדראה פלדיו הוסיף הצעה לדוגמה של עמודים קורינתיים בשני חלקיה העליונים של הרוטונדה, בין הקרניזים.
עיצוב וגימור קירות פנימי.
הפן הפנימי של קיר הרוטונדה מחולק לשני חלקים, תחתון - בעל נישות ואדיקולות (Aedicula), ועליון – בעל חלונות ופאנלים. בחלקו התחתון, נישות חצי מעגליות נמצאות על הצירים הראשיים של המבנה, ארבע הנישות האחרות הנראות בתוכנית כבעלות צורה טרפזית ונמצאות על הצירים האלכסוניים המשניים. כל פתח נישה ממוסגר על ידי עמודי פילסטר משני צידיו ומחולק לשלושה מעברים על ידי שני עמודים, בעלי אותה הפרופורציה וכותרת קורינתית כבפרונאוס, אולם קטנים יותר. כמו כן, בניגוד לעמודי הפרונאוס החלקים, פני העמודים בנישות מחורצים לכל אורכם ובנויים משיש מסוג Giallo Antico. הקירות שבין הנישות מעוטרים בפאנלים בצורות גאומטריות של ריבועים ומלבנים משיש מן הסוגים הבאים: Giallo Antico, Pavonazzetto, Verde Antico ,Bigio Africano.
כל אדיקולה (Aedicula) מורכבת מבסיס מוגבה ושני עמודים קורינתיים התומכים בגמלון. עמודי האדיקולה הנמצאים על הצירים הראשיים עשויים משיש מסוג Giallo Antico ותומכים בגמלון משולש. עמודי האדיקולה הנמצאים על הצירים האלכסוניים, עשויים מגרניט או פורפיר אדום ותומכים בגמלון מקושת. ייתכן ששימוש זה בגמלונים משתנים הושפע ממקדש אפולו בשדה מרס (Temple of Apollo Sosianus).
העמודים הראשיים ועמודי הפילסטר תומכים באנטבלטורה המורכבת מ: ארכיטרב משיש, אפריז חלק מפורפיר אדום וקרניז משיש הנתמך בעזרת כותרות קורינתיות בעיצוב עלי אקנתוס, באותן הפרופורציות שיש בפרונאוס אבל עם איכות מעודנת ומפורטת יותר. האנטבלטורה היא המאפיין היחיד ההמשכי בחלל הפנימי של הרוטונדה, אלמנט אופקי המקיף ומאחד את החלל. אלמנט זה נקטע רק על ידי הנישה הראשית בחלל, דמוית אפסיס, ולה חצי כיפה בעלת פאנלים מעוטרים שקועים וסימוני צלבים, השייכים לשחזור מאוחר.
עיצובו המקורי של קיר הרוטונדה, שמעל לאנטבלטורה, היה שונה מאוד באופן שבו הוא מוצג כיום. היו לו 64 עמודי פילסטר מפורפיר, אשר אורגנו בקבוצות של ארבע וביניהם חלונות. קומפוזיציה זו שונתה על ידי האפיפיור בנדיקטוס הארבעה עשר והאדריכל שלו, פאולו פוזי (Paolo Posi). העיצוב החדש כלל הורדה של חיפוי השיש המקורי, עמודי הפילסטר והחלונות ובמקום זאת הוספה של פאנלים ריבועיים גדולים וחלונות גדולים עם גמלונים מעליהם. קטע אחד שוחזר בשנות השלושים של המאה ה-20, לעיצובו המקורי, בהתבסס על שרטוטיו של פלאדיו ושל ציוריו המפורסמים של ג'ובאני פאולו פניני. לחלק זה של הפנתאון תפקיד חשוב מבחינה ויזואלית בחיבור שבין חלל הרוטונדה התחתון לבין הכיפה. עיצובו קשור למסורת בנייה של קולונדת עמודים אשר מופיעות בפורום אוגוסטוס וטראיאנוס. ניתן גם להשוות את עלייה הגג בפנתאון לקומה השנייה, בעלת תוכנית של חצי עיגול, המופיעה במקדש המדורג בפלסטרינה (Sanctuary of Fortuna Primigenia). אם כי במקרה של הפנתאון, לא מדובר בעמודים תומכים אלא בעמודי פילסטר שאינם בעלי תפקיד הנדסי בנשיאת הכיפה.
רצפה.
רצפת הפנתאון מעוטרת בדוגמה מתחלפת של עיגולים וריבועים לסירוגין בגוונים של גרניט אפור, שיש צהוב ופורפיר. עיגולים וריבועים אלו משובצים בריבועים גדולים התחומים בין רצועות שיש לבן איטלקי מסוג pavonazzetto, היוצרות רשת של קווים מאונכים, המקבילה לצירים הראשיים של המבנה. זהו הדוגמה הגדולה ביותר לרצפת שיש משובצת מרומא העתיקה אשר נשמרה באופן מיטבי. נראה שרצפה זו איננה שטוחה לחלוטין אלא מתקמרת מעט, לכך יש השפעה דרמטית על אופייה הדינמי של הרוטונדה. במקור, הדבר נועד כדי להרחיק את המים שירדו מן הפתח בכיפה אם כי בתהליך השחזור של המבנה, מרכזה של הרצפה יושר מעט והוספו לו פתחי ניקוז.
כיפה.