毛主席纪念堂是一座正方形大厦，建筑面积为2万多平方米，高33．6米，坐南朝北．外观为两层。正门上方镶嵌着“毛主席纪念堂”汉白玉金字匾额。枣红色花岗石砌成的高大基座上，四周环以44根黄色花岗石八角形廊柱。重檐平顶的檐口上贴以金色琉璃瓦。大门南北两侧各有两组8米多高的群雕，展示中国人民在毛主席领导下的革命历程。

毛主席纪念堂现有10个厅室对外开放。进入纪念堂正门的北大厅可容纳700多人，是举行纪念活动的地方，大厅中央是三米多高的汉白玉雕刻的毛泽东坐像，面含微笑，端庄安详。坐像背后墙上，悬挂着一幅大型绒绣——“祖国大地”。东西各厅是毛泽东、刘少奇、周恩来、朱德等先辈的革命业绩纪念室。纪念室内展出了大批文物、文献、书信和图片。

纪念堂的核心部分是瞻仰厅。大厅正中的水晶馆内安放着身着灰色中山装、覆盖着鲜红党旗的毛主席遗体。水晶棺的棺床是用黑色花岗石制成的，周围鲜花烂漫。大厅正面的白色大理石墙壁上镶嵌着鎏金大字“伟大的领袖和导师毛泽东主席永垂不朽”。

南大厅为出口大厅，白色的大理石墙面上，镌刻着毛主席手书的《满江红·和郭沫若》词。