Les architectes Pierre et Jean-Pierre Paquet esquissent divers projets et plusieurs études à partir de 1931. Mme Lebaudy se prononça en faveur d’une église à coupole, accompagnée d’un important clocher très élancé que l’on peut apercevoir de très loin.
C’est donc un style néoroman lié à une construction de type byzantin que l’on peut aujourd’hui admirer avec un clocher de 62 mètres de haut, orné de quatre anges de bronze, ainsi qu’une coupole centrale. Le clocher, implanté contre la façade, est terminé par une flèche en calcaire.
Bâtie en béton armé, élément de construction typique de l’époque, et en plaques de calcaire de Saint-Maximin, l’église du Sacré-Cœur de Gentilly est dessinée sur un plan en croix latine à vaisseau unique. Elle est couverte d’un dôme à la croisée du transept. Des colonnes jumelles aux fûts courts, agrémentées de plaques de marbre reconstitué, supportent les hauts arcs. L’ensemble est recouvert d’un crépi moucheté et la couverture est en plomb.
Des artistes talentueux ont participé à l’ornement d’un vaste ensemble décoratif : le sculpteur Georges Saupique (1889-1961), le maître-verrier Jacques Gruber (1870-1936) et le peintre Angel Zarraga (1886-1946).