Surp Toros Kilisesi, Ayios Vasilios Kilisesi’nin kuzeybatısında, eğimli bir arazide inşa edilmiştir. Alışılagelmiş batı-doğu aksı yerine, güney-kuzey doğrultusunda, tek nefli, dikdörtgen biçiminde bir kilise olan yapının iç mekânı yüksekçe bir beşiktonozla tamamlanmış, dıştan çift eğimli kırma bir atıyla kaplanmıştır. Yapıyı çevreleyen avlu duvarının güneydoğusundan, dıştan düz lentolu, içten yuvarlak kemerli bir girişle avluya geçilmektedir. Kiliseye, güney cephenin ortasında ana giriş olarak düzenlenmiş bir kapıdan girilmektedir. Burada günümüzde bir galeri katının bulunmayışı doğrudan naosa geçildiği izlenimi verse de, yapının özgün durumunda bir üst katın varlığına işaret eden izler göze çarpmaktadır. Olasılıkla, dışarıdan bir merdiven galeri katına bağlanmakta, güneydoğu köşesinde halen örülü olan bir geçişle galeriye çıkış sağlanıyordu. Avlunun güneyindeki kalıntılar ise Mesrobyan Okulu’na veya papaz evine ait olmalıdır.
Yapı, yöresel tüf düzgün kesme taşla, yığma tekniğiyle inşa edilmiş ve kıtıklı kireç harçlı sıvayla kaplanmıştır; kimi detaylarda alçıya yer verilmiştir. Galeri döşeme ve korkulukları ile koro bölümünü ayıran korkuluk ve bölmeler büyük olasılıkla ahşaptandı. Tonoz gergileri, pencere parmaklıkları, kandil halkaları ve uçlarından sarkan zincirler demir aksamını oluşturmaktadır. Duvar, yanaşık derz tekniğinde, çift cidarlı olarak yapılmıştır. Dış duvar örgüsünde 25-30 cm. yüksekliğinde düzgün kesme taş bloklar kullanılmıştır. İç mekânda batı beden duvarının kaba yontulmuş taş dokusu, sıva altında kalacak yüzeylerin bu şekilde örülmüş olduğunu veya 1835 öncesi eski kiliseye ait olabileceğini düşündürmektedir. İç mekânda, naosun batı duvarında pilasteri taçlandıran ve kırılmış olan alçı başlığın alt seviyesinden yapıyı çevreleyen silmenin alt tarafındaki sıvasız duvarın kaba yontusu, bu kısımların eski kiliseye ait olduğuna işaret etmektedir. Döşemeden günümüze kalan tek iz, apsisi naostan ayıran taş basamaktır. Yapının beşiktonozu kesme taşlarla örülmüş, dıştan oluklu taş bloklardan bir çatıyla kaplanmıştır. Apsis yarım kubbesinde, tahribat sonucu açığa çıkmış olan– konstrüksiyonu da hafifletme işlevi gören, çapları takriben 16-18 cm. ve derinlikleri 32-35 cm. olan akustik küpleri göze çarpmaktadır.
Surp Toros Kilisesi, tek nefli, dikdörtgen planlı, kuzeyinde yarım daire biçiminde bir apsisle sonlanan, 7,94 x 14,03 metre boyutlarında, bazilikal formda, İstanbul’a özgü bir mimari plan tasarımına sahiptir. Apsisin kuzeybatısında, apsisle bağlantılı protesis ve apsisle bağlantısı bulunmayıp naostan girilen ve birbirine açılan üç bölümlü diakonikon yer almaktadır. Naosun batı duvarında, apsise doğru, vaftiz kurnası yerleştirilmiştir. Batı beden duvarı kısmen toprağa yaslandığından sağırdır. Doğuda dört adet kemerli, güneyde ana kapının yanında iki, üst kotta üç, kuzeyde ise apsisin üzerinde oval bir pencere açıklığı bulunmaktadır.
Yapının taşıyıcı sistemi duvarlarla sağlanmış, doğu-batı doğrultusunda taşkın profilli üç büyük kemerle desteklenen kaburgalı beşiktonozun yükü doğrudan yan duvarlara aktarılmıştır. Batı duvarının kalınlığı ölçülememiştir ancak doğu duvarının kalınlığının 1,45 metredir. Tonoz, demir gergilerle güçlendirilmiştir. Apsis bölümü, naos döşemesinden yüksekçe bir platform üzerinde, naosa açılan iki sağır niş yan sunaklar şeklinde, apsis kubbesinin altında yükselen ana sunakla birlikte üç sunaklı bir tasarım oluşturmaktadır.
İç mekân beden duvarları ile kemer ve apsis yarım kubbesi, bitkisel motifli madalyonlar ve yeşil kartuşlarla konturlanmış kırmızı ve mavi eşkenar dörtgenlerle, renkli dairesel geçmeler ve akantus yapraklı bir frizle bezenmiştir. Mavinin tonlarıyla renklendirilmiş tonozun her bir bölümü, dinî semboller ve yazılar içeren madalyonlarla vurgulanmıştır. Sağır batı duvarı, doğu duvarındaki pencere düzenlemesine öykünen, bitkisel motifli çerçevelerle hareketlendirilmiştir. Bema duvarında İncil taşıyan melek figürleri yer almakta, bema kemeri ise İncil’den bir vecizle naosa açılmaktadır.
Apsis yarım kubbesi tepe noktasında yıldızlarla çevrelenmiş, kutsal üçlüyü sembolize eden altın yaldızlı ışınsal üçgen içindeki göz imgesiyle vurgulanmıştır. Batılılaşma dönemine özgü neoklasik, Barok ve Rokoko üsluplarına ait öğelerin biçimlendirdiği bezeme repertuvarında perde motifi de yer almaktadır. Tonoz eteği seviyesinde bir silme tüm beden duvarlarını kuşatmakta, tonoz kaburgalarını alt duvarlarda devam ettiren pilasterlerde sıva izleri görülmektedir.
Yapının iç mekânı zengin bezeme programına, dış cepheleri ise çok yalın bir düzenlemeye sahiptir. Güney cephesi ve diğer cepheleri tek katlıdır. Bezemeli tek öğe, güney cephesindeki ana giriş kapısıdır. Neoklasik biçeme özgü simetrik iki pilasterin taşıdığı korniş ve bir kemerle taçlanan kapı, üzerinde yazıtı kazınmış dikdörtgen bir kitabe levhası ile tamamlanmaktadır. Kapının iki yanında, cephenin düşey simetrisini güçlendiren birer dikdörtgen pencere, cephenin üst kotunda ortada basık, yanlarda yarım dairesel, tamamı profilsiz sövelerle biçimlenmiş pencere açıklıkları yer almaktadır.
Kuzey ve güney cepheleri üçgen alınlıkla noktalanan yapının batı cephesi, saçakla biten sağır ve yekpare bir duvar dokusuna sahiptir. Doğu cephesinde, apsis yönünde, ikinci kat seviyesinde kemerli üç pencere açıklığı sıralanmaktadır. Güneydoğu noktasında, narteksin üstünde yükselen galeri girişine işaret eden, döşeme seviyesindeki bir silme, alttaki sağır kısmı ayırmaktadır. Kuzey cephesini oluşturan apsisin dairesel taşkın dış cephesi ve yan mekânlar, yapıdan daha alçak seviyede bir avlu duvarıyla çevrelenmiştir. Bu duvardaki iki çörten, apsis bölümünün çatısından akan suyu toplamaktadır. Saçak kornişiyle sonlanan üçgen alınlığın ortasında, dikdörtgen bir açıklığın içinde, oval bir pencere bulunmaktadır.