Elle présente une façade de pierre calcaire à deux niveaux dont le niveau supérieur montre un fronton à la grecque soutenu de quatre colonnes ioniques avec une fenêtre au milieu encadrée d'une statue dans une niche de chaque côté. C'est une église sans transept à longue nef avec deux bas-côtés. Elle est surmontée d'un clocher de briques dont la flèche n'a pas eu le temps d'être installée. Les vitraux sont d'un maître-verrier de la fin du . Elle possède un orgue de Pierre-Alexandre Ducroquet (auteur des grandes orgues de l'église Saint-Eustache de Paris), cinquième de France en termes de dimension, qui a obtenu une médaille d'or à l'exposition universelle de Paris de 1855 (acheté pour de l'époque) et qui a été posé dans l'église en 1856. L'orgue de Notre-Dame de Roubaix compte vingt-huit registres sur trois claviers à mains et d'un clavier à pédales. Il a été restauré en 1876. Il a été démonté en 1996. La partie instrumentale de l'orgue et le buffet d'orgue sont également inscrits aux monuments historiques, ainsi que la chaire à double escalier et divers objets liturgiques (un ostensoir, deux calices, quelques ciboires - dont un émaillé - et patènes, etc.).