พระอุโบสถวัดเทพธิดารามแสดงถึงการผสมผสานระกว่างศิลปะไทย จีน ตามแบบพระราชนิยมพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว ตัวอาคารก่ออิฐถือปูน กว้าง ๑๘ เมตร ยาว ๒๗ เมตร สูง ๑๖ เมตร ฐานสิงห์ หลังคา ๒ ชั้น ๓ ตับ ตับล่างเป็นปีกนกรอบ ตั้งเสาหานรายรับเป็นระเบียงทางเดินรอบพระอุโบสถ หลังคามุงกระเบื้องสีแบบไทย ไม่มีช่อฟ้าใบระกา หน้าบันถ่ายทอดศิลปะไทย จีนผ่านเทคนิคปูนปั้นและกระเบื้องเครือบ มีลวดลายไทย เช่น ลายพวงอุบะ ลายดอกไม้ ในตอนบน ผสมกับศิลปะแบบจีนอันมีรูปพญาหงส์คู่ในตอนเดียวกัน และภาพทิวทัศน์ ลายดอกไม้ในตอนล่าง

ภายในพระอุโบสถมี มีภาพเขียนสีฝุ่นดังนี้ ดาวเพดาน คอสองเป็นลายพวงมาลัย ฝาผนังเขียนเป็นลายข้าวพุ่มบิณฑ์ดอกพุดตานเครือเถา มีชุ้มประตู ๔ ซุ้ม ซุ้มหน้าต่าง ๑๐ ซุ้ม แต่ละบานประตูและหน้าต่างด้านนอกเขียนลายรดน้ำ รูปเทวดาในวิมานและกนกลายเพลิง บานหน้าต่างในและบานประตูด้านในเป็นลายโคมจีนและส่วนลึกของประตูหน้าต่างเป็นลายแจกันดอกไม้ ฝาผนังและเสายังมีภาพใส่กรอบเป็นเรื่องราวเกร็ดพงศาวดารจีน ยอดซุ้มปั้นเป็นกนกลายใบเทศและดอกพุดตานแล้วปิดทอง บันได ๔ บันได พนักระเบียงมีกระเบื้องปรุลายดอกประจำยามซ้อนกัน 3 ชั้น ซุ้มเสมาแบบจีนมี ๘ ซุ้ม เสมาเป็นหินเขียวจำหลัก (เสมาใบเดี่ยว)