La clinique des Charmilles est bâtie sur une parcelle légèrement en pente orientée Nord-Sud. Elle est desservie par deux rues parallèles d'Est en Ouest, ce qui permet d'aménager un accès visiteur au Nord (rue Pierre Brossolette) et un accès plus technique, réservé aux professionnels au Sud (rue de l'Aître). Le bâtiment, recouvert de briques, présente un aspect général où règne la ligne courbe. Le corps de bâtiment principal, dans lequel est aménagé l'entrée principale de l'hôpital, est en effet circulaire. Il se prolonge à l'arrière du bâtiment par un avant-corps, également circulaire. Une grande aile courbe vient ensuite se greffer sur le côté Est de cet ensemble. La clinique est réalisée sur un même niveau de sous-sol abritant les espaces techniques nécessaires au bâtiment : vides sanitaires ventilés, mais aussi magasin, galerie technique, chaufferie, incinérateur et bloc électrique. Ce premier niveau laisse ensuite place à un étage de soubassement, ou rez-de-jardin, permettant ainsi de rééquilibrer la différence de niveau du terrain. Ce second niveau, ouvert sur la façade arrière du bâtiment (façade Sud) était à l'origine conçu pour accueillir un accès spécifique aux urgences. Cet accès débouche directement à l'intérieur du corps de bâtiment circulaire. A gauche, des salles de consultations pour la kinésithérapie sont aménagées à côté du laboratoire et d'une petite morgue (qui bénéficie d'une propre porte donnant directement sur l'extérieur). A droite de cette entrée des urgences, après l'ascenseur monte-malade, un second espace de consultation est aménagé dans l'avant-corps circulaire Sud. Celui-ci est lui-même composé de quatre volumes circulaires, abritant chacun une fonction particulière : salles d'examens, salle de radiologie, bureau. A l'intersection de ces quatre pièces rondes se trouve la salle d'attente. L'aile Est du rez-de-jardin est quant à elle occupée côté Nord par les cuisines, côté Sud par la salle-à-manger et des chambres de consultations.

Au niveau supérieur, le rez-de-chaussée accueille l'entrée principale de la clinique. Un hall prend donc place dans le corps de bâtiment principal et offre ainsi un vaste espace d’accueil circulaire, couronné d'une grande verrière zénithale. Ce hall est ouvert sur toute sa hauteur et se destine à l'accueil et à la circulation des usagers. En son centre se présente un large escalier en vis à cage ouverte, dont le noyau central est occupé par un petit ascenseur visiteur desservant à la fois le rez-de-jardin inférieur, et les deux étages supérieurs.

Quelques salles de consultation rayonnent autour de cet espace, tandis que l'avant-corps circulaire de la façade sud est originellement réservé à la chirurgie. Au-dessus des quatre pièces circulaires du rez-de-jardin, quatre blocs opératoires prennent place au rez-de-chaussée. Ces derniers, contrairement au niveau de soubassement, sont englobés dans un vaste espace circulaire distinct en façade du niveau inférieur, plus en retrait. Du grand hall d'accueil circulaire part également l'aile courbe de deux étages abritant les chambres. Cette aille Est se caractérise également par un rejet total de l'angle droit et conserve du rez-de-chaussée jusqu'au deuxième étage la même configuration. Son extrémité Ouest, desservie par le grand escalier en vis du hall d'accueil circulaire, voit se déployer les chambres des deux côtés d'un couloir central. Chacune épouse la courbe qu'esquisse l'aile du bâtiment.

Sur la façade arrière, côté Sud, les divers jeux de courbes de la façade offrent des volumes convexes servant d'espaces de rangement dans les chambres. À l'intérieur de ces dernières, côté couloir, les blocs sanitaires sont inscrits dans un espace au plan en amande. Les chambres donnant sur la façade avant, côté Nord observent le même jeu de fonctionnalité entre volumes concaves et volumes convexes.

Enfin, les toitures plates en terrasses permettent à l'édifice d'assumer une certaine horizontalité, qui renforce d'autant plus les courbes et contre-courbes des façades. L'accord entre distribution intérieure et aspect extérieur n'en est que plus saisissant.