Architecture intérieure.
La nef offre un très bel élancement néogothique. Au premier niveau, des chapelles uniformes, en légère saillie sur les murs gouttereaux (ci-contre à gauche un archétype de ces chapelles), engoncées dans des arcades en tiers-point, sont séparées par de massifs piliers à chapiteaux. Des faisceaux de colonnettes s'élèvent sans interruption jusqu'à mi-hauteur du second niveau.
Les retombées des voûtes reposent sur des chapiteaux floraux, tout comme les formerets qui terminent les murs gouttereaux. Le tracé des courbures aboutit à la juxtaposition des chapiteaux où viennent reposer les arcs diagonaux et les formerets.
Pour assurer l'équilibre global des formes, l'architecte a choisi la même largeur pour les baies basses et les baies hautes. De la sorte, le nu du mur qui entoure les ouvertures hautes est assez large.
L'impression générale dégagée par cette élévation est celle de la beauté alliée à la robustesse.

Vitrail du transept : Présentation à la Vierge et à l'Enfant-Jésus de la maquette de la chapelle Sainte-Thérèse par le cardinal Dubois.
Ce vitrail rappelle un jour solennel dans l'histoire de la chapelle : le 1er décembre 1923, Son Éminence le cardinal Dubois, archevêque de Paris, autorisa la construction d'un sanctuaire dédié à sainte Thérèse de l'Enfant-Jésus.
La verrière montre le cardinal et les dignitaires qui le suivent présentant à la Vierge et à l'Enfant-Jésus la maquette de la future bâtisse.
Si l'on suit l'inscription gravée dans la pierre à l'entrée de la chapelle, il faut reconnaître parmi ces dignitaires : Monseigneur Le Roy, archevêque de Carie, supérieur général des Pères du Saint-Esprit (qui bénit et posa solennellement la première pierre le 13 juillet 1924) ; le Révérend Père Daniel Brottier, directeur de l'orphelinat d'Auteuil (qui y célébra la première messe, à minuit le 25 décembre 1925) - aisément reconnaissable à sa longue barbe blanche ; et enfin Monseigneur Le Hunsec, évêque du Sénégal (qui y officia pontificalement à dix heures le même jour).
L'inscription gravée indique aussi que l'édifice a été consacré le 5 octobre 1930 par Son Éminence le Cardinal Verdier, archevêque de Paris. Le vitrail datant de 1927, le cardinal Verdier n'y est pas représenté.

Vitrail du transept : La Canonisation de sainte Thérèse de l'Enfant-Jésus.
Ce grand vitrail de l'atelier Mauméjean illustre la cérémonie de la canonisation de Thérèse Martin par le pape XI le 17 mai 1925 dans la basilique Saint-Pierre de Rome. Thérèse Martin avait été déclarée «bienheureuse» en 1923 par ce même pape.
Au bas de la verrière, parmi la foule, on remarque trois visages bien visibles : le premier, au centre, regarde derrière lui ; les deux autres, sur la droite, sont dessinés de profil. Il s'agit vraisemblablement des donateurs de la verrière.
Dans le tympan, deux prélats sont représentés au-dessous de la Sainte-Trinité.
Le texte du bas rappelle la formule de canonisation prononcée par le Souverain Pontife :

POUR L'HONNEUR DE LA SAINTE TRINITÉ ET DE CHACUNE DES PERSONNES DIVINES,
POUR L'EXALTATION DE LA FOI CATHOLIQUE ET LE PROGRÈS DE LA RELIGION CHRÉTIENNE,
PAR L'AUTORITÉ DE NOTRE SEIGNEUR JÉSUS-CHRIST, DES BIENHEUREUX APÔTRES PIERRE ET PAUL,
ET APRÈS AVOIR MÛREMENT DÉLIBÉRÉ ET AVOIR PLUS D'UNE FOIS IMPLORÉ LE SECOURS DIVIN,
AYANT PRIS CONSEIL DE NOS VÉNÉRABLES FRÈRES LES CARDINAUX DE LA SAINTE ÉGLISE ROMAINE,
DES PATRIARCHES, ARCHEVÊQUES ET ÉVÊQUES PRÉSENTS DANS LA VILLE,
NOUS DÉCLARONS SAINTE LA BIENHEUREUSE THÉRÈSE DE L'ENFANT JÉSUS,
NOUS LA DÉFINISSONS TELLE, NOUS L'INSCRIVONS AU CATALOGUE DES SAINTS
ET NOUS DÉCIDONS QUE CHAQUE ANNÉE LE JOUR DE SA NAISSANCE (AU CIEL),
C'EST-À-DIRE LE 30 SEPTEMBRE, SA MÉMOIRE SERA, DEVRA ÊTRE PIEUSEMENT
RAPPELÉE PAR L'ÉGLISE UNIVERSELLE.
AU NOM DU PÈRE, DU FILS ET DU SAINT-ESPRIT, AMEN.

Le chœur de la chapelle.
Le chœur possède un aspect très dépouillé. Si le transept est orné de deux grandes verrières Mauméjean, le chœur ne dispose que d'une série de petites fenêtres dans sa partie haute. Dans les vitraux, des anges y présentent des symboles liturgiques et les instruments de la Passion.
Ce chœur dégage une impression étrange. Les petites fenêtres hautes rappellent le style roman, tout comme la suite d'arcades basses. Seule la forme des arcs en tiers-point est un emprunt au style gothique.
L'architecture du chœur, que l'on peut qualifier d'«hétéroclite», est loin de dégager le bel aspect gothique de l'élévation à deux niveaux des côtés de la nef.

«Je ferai tombai tomber du Ciel une pluie de roses».
Le vitrail de la façade, lui aussi une création de l'atelier Mauméjean en1927, fait référence à un engagement qu'aurait pris Thérèse Martin avant sa mort : une fois au paradis, répandre un flot de grâces sur terre. Cette promesse ne figure pas dans l'Histoire d'une âme, ouvrage de la carmélite qui lui a valu sa canonisation. Néanmoins, un engagement écrit dans l'un de ses manuscrits s'en rapproche : «Je veux passer mon ciel à faire du bien sur la terre.».
On pourra regretter la conception assez pauvre et sans grande imagination du vitrail de l'atelier Mauméjean. Pour une fois que le vitrail de la façade n'était pas caché par le grand orgue...