Architecture interne et vitraux. La nef de l'église est séparée des bas-côtés par une suite de colonnes cannelées surmontées de chapiteaux corinthiens enrichis de chérubins et que l'on qualifiera donc de composite. Ces colonnes sont reliées par des arcades en plein cintre. Les deux niveaux de l'élévation sont séparés par une corniche saillante qui ceinture tout l'édifice. La voûte en berceau présente des peintures décoratives d'Alexandre Denuelle.
Sous le Second Empire, la technique de construction des églises progresse : on construit une ossature métallique masquée par un revêtement en pierre. Cette pratique a un triple avantage : l'édifice est très solide, la construction se fait vite et ne coûte pas très cher. L'église Saint-François-Xavier suit ce nouveau concept.

L'église Saint-François-Xavier ne bénéficie pas d'une luminosité naturelle importante. Elle présente un grand nombre de fenêtres, dont deux seulement sont historiées. Ces deux vitraux, qui datent de 1959, représentent saint Vincent de Paul et sainte Thérèse de l'Enfant-Jésus. Les deux rosaces du transept, qui sont identiques, possèdent, quant à elles, des pétales garnis de symboles liturgiques. Les autres vitraux sont des compositions géométriques, souvent à base de cercles (voir plus bas, aux couleurs assez soutenues. En fait, tous les vitraux, par l'intensité de leurs coloris, font obstacle à la lumière du jour. Par temps gris ou en fin d'après-midi, l'église est baignée dans une pénombre prononcée qui ne fait que s'accroître tant que la lumière artificielle n'a pas pris le relais.

Avec le chœur de l'église Notre-Dame-de-Lorette (Paris, 9e), celui de Saint-François-Xavier compte parmi les plus beaux de Paris.
Au-dessus de l'autel, dans les écoinçons, le peintre Romain Cazes (1808-1881) a fait figurer, à droite, Moïse tenant les Tables de la Loi et, à gauche, son frère Aaron tenant sa baguette miraculeuse (voir gros plan). Enfin, en haut, devant un Christ d'inspiration byzantine, Romain Cazes a représenté «saint François-Xavier présentant à Jésus-Christ les peuples qu'il a convertis».
Le miracle de la baguette. Le livre des Nombres, dans l'Ancien Testament, rapporte que, lors d'une sédition frappant l'unité du peuple juif errant alors dans le désert, certains reprochèrent à Moïse d'accaparer le pouvoir et, de la sorte, d'accumuler trop de puissance pour lui et sa famille. Notamment pour son frère Aaron, nommé par Moïse souverain sacrificateur. Pour mettre un terme à l'excitation haineuse qui gagnait les Hébreux, Moïse ordonna aux chefs de tribu d'apporter

chacun une baguette où devait être écrit le nom de sa tribu. On attendrait le jugement de Dieu. Le Père Céleste saurait désigner, selon le signe qu'Il lui plairait, celui qui aurait la charge de souverain sacrificateur. Sur celle d'Aaron, on écrivit le nom de la tribu de Lévi. Moïse les fit placer dans le tabernacle (qui abritait l'Arche d'alliance). Le lendemain, on retrouva les baguettes dans leur état de la veille, sauf une : celle d'Aaron. La baguette avait maintenant des bourgeons et, mieux encore, des amandes toutes mûres - car elle était en bois d'amandier. Ce prodige fut reconnu par tous comme la preuve que Dieu voulait qu'Aaron soit souverain sacrificateur. L'animosité envers la famille de Moïse et les privilèges qu'elle pouvait s'octroyer cessa. C'était ainsi la troisième et dernière fois que Dieu marquait sa préférence pour Aaron dans sa charge.
Source : «Histoire ancienne des Juifs» de Flavius Josèphe, aux éditions Lidis-Brepols, 1981.