Pantheon er sammensatt av to bygningselementer, en søylefasade (forhall) med en klassisk tempelgavl av den tradisjonelle typen med arkitrav og en kuppelformet sylinder. Den siste er bygget i typisk, romersk materiale: opus testaceum (betong med teglforskalling). Ytterveggene var opprinnelig marmorkledte. Kuppelen har samme diameter som høyde (43,30 meter) og er innebygget i muren slik at bare den øverste delen er synlig utenfra. Kuppelen er den største som ble reist i romertiden overhodet. Da arkitekten Filippo Brunelleschi skulle tegne kuppelen til Firenzes domkirke mer enn tusen år senere, klatret han, skjult av nattemørket, opp på Pantheons tak for å studere bygningsteknikken, og etter Firenze-domen kom Michelangelos kuppel i Peterskirken. Bak tempelgavlen er en søylebåret forhall som oppleves utadvendt.