Bažnyčios architektūra kildinama iš XVII a. pirmoje pusėje Romoje pagal Il Gesu bažnyčios pavyzdį statytų bebokščių barokinių šventovių ir artima Liublino, Lvovo, Krokuvos bei kitoms ansktyvosioms vienuolijos bažnyčioms. Bažnyčia veikiausiai projektuota remiantis vienu iš dviejų pavyzdinių planų.
Šv. Teresės bažnyčia nuo Romos Il Gesu bažnyčios gana ryškiai skiriasi. Planas čia ne lotyniškojo kryžiaus pavidalo, bet stačiakampis, be išplėtoto transepto, kupolas – žemas ir aklinas. Tokios erdvinės ypatybės būdingos karmelitų bažnyčioms Romoje – S. Maria della Scala ir S. Maria della Vittoria. Vidaus erdvė suskirstyta į tris navas, šoninės navos sumanytos kaip pereinamų koplyčių eilė. Pagrindinę navą skliaučia aštuoni akmeniniai skliautai, daug aukštesni už šoninius.
Bažnyčios fasadui būdingas monumentalumas, griežta linijinė plastika, tauriai pailgintų proporcijų architektūrinis piešinys. Trijų tarpsnių fasadas iškilęs ant labai aukšto cokolio. Portalas ir langas virš jo įkomponuoti arkos pavidalo nišoje. Portalą vainikuoja baltame marmure iškaltas Vazų dinastijos herbas – javų pėdas. Frontone – statybos rėmėjo, LDK pakanclerio Stepono paco herbas – dviguba heraldinė lelija. Aptakią voliutų plastiką išryškina su ja kontrastuojantys obeliskai.
Fasade panaudotos prabangios, elegantiškai suderintos medžiagos – pilkas švediškas smiltainis ir juodas bei baltas marmuras. Tokia medžiagos prabanga reta basųjų karmelitų statiniuose. Todėl Vilniaus Šv. Teresės bažnyčia išsiskiria didingumu bei ištaigingumu. Jos architektūroje karmelitiškasis modelis sulydytas su išskirtiniu Romos architekto braižu ir karališkos aplinkos bei žymaus mecenato skonį atspindinčiu „juodojo marmuro stiliumi”.
Parengta pagal Katalikų interneto tarnybos tekstus, skirtus Jono Pauliaus II piligrimų kelio projektui.