現在的鳳凰寺占地麵積約2600平方米，坐西向東，為一常見石庫門式建築。與其他有著繁複裝飾圖案的清真寺不同，鳳凰寺的建築以黑色筒瓦配以白粉牆，沾染了江南建築特有的簡潔和典雅。寺內主要建築都布置在東西向的中軸線上，前有門廳，中間是禮堂，最後為禮拜殿。門廳為磚結構，廣一間，呈狹長形，上壁書“鳳凰寺”三個紅底金字，下麵是拱券門洞。禮堂，也叫外殿，是1953年在原基址上重建的建築。禮堂大門兩側的小塔樓及房頂四周女牆上的蓮瓣裝飾，構成了伊斯蘭教建築特有的輪廓。從禮堂往前就進入鳳凰寺主體建築大殿，即禮拜殿，為鳳凰寺精華之所在。
鳳凰寺禮拜殿東西窄、南北寬，平麵呈橫長方形，麵闊大於進深，保持了西亞早期清真寺的傳統風格。全殿沒有梁架結構，全部用青磚砌築，殿壁厚實，達一米許，異常堅實。殿內以拱券分隔為三間，中為明間，較大，兩側為次間，較小。明間兩封壁麵各做成兩個拱券，使三間相連以供穆斯林禮拜。每間的四壁上端轉角處用菱角牙子疊澀逐層收縮，形成穹頂。穹頂繪有彩色花卉、鳥雀等精美圖案，以暗紅、棕色等蔓卷紋為主，構圖流暢、色彩鮮明。禮拜殿南北山牆各有兩個壼門，風格酷似杭州宋代古建築六和塔內的壼門，山牆以及前簷都砌有券窗。殿屋麵建有三座八角攢尖頂（俗稱“雞籠頂”），中頂重簷較大，外觀上取得宗教建築要求高聳向上的藝術效果。屋頂麵筒板瓦壟，翼角高翹，覆蓋五色琉璃瓦，間置風鈴，頂端各安裝一隻銅質葫蘆。這座出自元代能工巧匠之手的古建築，糅合了阿拉伯建築特有的形式和我國傳統古建築的藝術手法，是中阿民族文化交流、融合的曆史見證，具有很高的觀賞價值和科研價值。
禮拜殿內，各間後牆都設有“讀經台”（又稱“經香台”），明間兩座，次間各一座，都是用青砂石刻製，做成須彌座式樣。經台兩側鐫刻竹節望柱，束腰刻卷草，梟混（梟混，是指上凸下凹的線腳形製）線腳樸素無華，構圖洗練明快，刀法遒勁流暢。據鑒定，這四座讀經台很可能是宋元時期的遺物。
禮拜殿明間的讀經台須彌座上，倚牆而立一具高大的木雕《天經》（即《古蘭經》）經函，經函遍塗丹漆，上刻阿拉伯文經句，間以海石榴花紋和方勝合羅等繁複細密的圖案裝飾，配以紅底貼金，色彩明豔濃烈，工藝細膩精致，式樣雍容華貴，具有濃烈鮮明的阿拉伯藝術風格。經考證，這件珍品可能是明景泰二年（1451年）重建真教寺時精工製作的。
禮拜殿內後牆正中還設有一座神龕，表示伊斯蘭聖地“克爾白”（阿拉伯語音譯，意為立方體形的房屋，我國伊斯蘭教也稱它為“天房”，是今沙特阿拉伯的麥加“聖寺”內的一座方形石殿）。所在的方位，是穆斯林舉行宗教活動時禮拜的對象，其左首置放宣諭台，供教長說教使用。
鳳凰寺在“文化大革命”前藏有宋代真教寺初建時定製的古磚。現寺內庭院北側辟有碑廊，保存曆代古碑石共二十六方，其中阿拉伯文古碑一方，明、清兩代關於扶持伊斯蘭教的敕諭碑和真教寺重修碑記多方，以及阿拉伯古墓碑十餘方。這些墓碑是原位於西湖柳浪聞鶯公園的回族公墓遷墓時移入寺內保存的，碑文有的是阿拉伯文，有的是伊朗文，可借以考見元、明、清時中阿文化交流、經濟貿易等的史跡和史實。有一塊墓碑記載了伊斯蘭教曆史上著名的領導人物阿老丁的事跡。阿老丁是伊朗（古稱波斯）人，曾來中國傳教，他的故鄉是位於伊朗與前蘇聯交界處的台麻。這塊墓碑上有波斯文和阿拉伯文兩種文字。千餘年來，鳳凰寺經曆了多次破壞和重建，仍保存了一批罕見的古代伊斯蘭教藝術品和碑刻史料，這在全國來說也是彌足珍貴的。