Le bâtiment originel est d'ampleur modeste, comme peut l'être une mairie de village. Une description complète de son état d'origine figure dans une notice architecturale publiée en 1878 dans l "Inventaire Général des œuvres d'art appartenant à la ville de Paris dans les édifices civils" (cette description est retranscrite en annexe). Il s'agissait d'un édifice carré, à deux étages. Le rez-de-chaussée est traité en bossage continu en table. Les fenêtres du premier étage sont cintrées et séparées par des pilastres corinthiens supportant une frise à modillons et à têtes de lions. Au dessus, se trouve un étage de comblé, percé d'oeils-de-boeuf. Le bâtiment est couvert d'un toit à longs pans à croupe brisée.

Cet édifice a fait l'objet d'un traitement soigné, observable dans l'avant-corps central flanqué de quatre statues d'Hyacinthe Chevalier personnifiant les actes de l’État Civil et encadrant les angles du campanile. Celui ci, véritable signal urbain, est coiffé d'un toit en pavillon surmonté d'un lanternon abritant une cloche. Le soin apporté au décor de la salle des mariages, dont le plafond est en chêne sculpté à caisson, relève de la même attention.

Les travaux d'agrandissement conduits par Émile Auburtin entre 1882 et 1891 portèrent sur la construction de deux pavillons de part et d'autre de la partie centrale du bâtiment. Un devis détaillé, signé de l'architecte le 28 juin 1882 (Archives de Paris, V27M4 art.1-13) nous apprend que les matériaux utilisés pour la construction sont : "soubassement : meulière, moellon, briques de Vaugirard pleine et creuse, que les piles de fonds sont en banc royal de Saint Maximin , le mur de face de la cour intérieure en roche d'Euville. Les soubassements des façades intérieures sont également en roche d'Euville alors que les murs en hauteur sont en roche douce de Marly-la-Ville". Chaque nouvelle aile comprend deux étages carrés (soit un étage de plus que le corps central) et est couverte d'un toit en pavillon à terrasse faîtière. Les façades sur les rue Castagnoux et Saillard ont reçu des fenêtres à fronton droit porté par des consoles. La partie centrale du bâtiment passe de 3 à 5 travées de part et d'autre du porche et de la loge centrale. L'avant-corps et le campanile sont entièrement reconstruits et les statues d’Hyacinthe Chevalier déposées. Au centre, le porche rectangulaire à arcade en plein cintre compte comporte une loggia centrale surmontée d'une horloge entre des pilastres corinthiens et coiffée d'un campanile.

La nouvelle mairie couvre une surface de 1365 m2 (contre 598 m2 pour la mairie d'origine) et comporte deux petites cours intérieures. L'escalier d'honneur est complexe avec une première volée centrale et une deuxième volée double à montées parallèles.

Au premier étage, la salle des mariages, faisant également office de salle des fêtes et de salle du conseil municipal, est considérablement agrandie. Elle comprend désormais sept baies en façades et mesure 25 mètres de long sur 10 mètres de large. Le décor de cette salle a fait l'objet d'un concours pour la réalisation de trois grandes toiles, remportées par Maurice Chabas (1862-1947) et livrées en 1889. Elles ont pour sujet Les Fiançailles, le repas de noces et le repos du travailleur.