Сходство с прототипом касается, в основном, венчающей части: храм св. Мартина Исповедника стал первым в Москве, увенчанным большим куполом на высоком световом барабане по типу собора св. Петра в Риме (1506–1626 гг.), в подражание которому и был, в свою очередь, выстроен собор в Лондоне. Крупная четырёхстолпная пятиглавая церковь в основе имеет двухосно-симметричный план. Прямоугольный, слегка вытянутый с востока на запад объём дополнен полукруглыми выступами на востоке и западе и прямоугольными лоджиями на севере и юге. Первоначально предполагалось сделать план квадратным, но по требованию духовенства проект был изменён, и алтарь сделали «круглообразным». Для симметрии на западе появился полукруглый притвор, соединённый узким переходом с трёхъярусной колокольней, увенчанной шпилем и являющейся высотной доминантой композиции. Нижний ярус колокольни крестообразный, два верхних – цилиндрические, перекликаются с мощным центральным барабаном, увенчанным высоким куполом с люкарнами и главкой-фонариком. По углам барабан уравновешен четырьмя малыми купольными главами на цилиндрических тамбурах. Трапезная отсутствует; эта деталь, как и размер храма, его четырёхстолпная структура, весь облик исследователи считают довольно необычными для приходских церквей и более характерными для крупных соборов. По мнению исследователей, ордерный декор фасадов насыщенный, однако при этом храм выглядит сдержанно и строго. Расположенные с севера и юга глубокие восьмиколонные римско-дорические лоджии под треугольными фронтонами придают зданию светский характер. Фланговые колонны сдвоены. В оформлении апсиды и полукруглого западного притвора также применён мотив сдвоенных колонн. Одинарными римско-дорическими колоннами украшен переход к колокольне и «вынутые» углы её первого яруса; второй и третий ярусы вопреки классической традиции последовательного чередования ордеров декорированы коринфским и композитным ордером (пропущен ионический). Исследователей поражает нарастающее обилие колонн между стройными арками звона: по четыре в каждом простенке. Причём во втором ярусе средние пары колонн вынесены вперёд энергичными раскреповками, перекликающимися с угловыми колоннами нижнего яруса и динамично подчёркивающими диагонали. Центральный барабан, прорезанный стройными арками, окружён коринфскими полуколоннами. Дробные членения фасадов производят несколько сумбурное впечатление и вкупе с обилием колонн создают напряжённую, почти драматическую образность. В основном двухсветном объёме и нижнем ярусе колокольни колоннам на стенах соответствуют пилястры. Фасады расчленены по горизонтали лишь узкой тягой. При этом круглые окна второго света перекликаются с круглыми отверстиями в тамбурах малых глав. Углы основного объёма закреплены лопатками, а фланговые участки стен выделены сложными арочными композициями с прямоугольным окном нижнего света, фланкированным парой колонн малого ордера и полуциркульным окном верхнего света.