พระอุโบสถวัดนิเวศธรรมประวัติ สร้างอยู่ในกำแพงแก้ว ก่ออิฐถือปูนทำเป็นลวดลายแบบตะวันตก เหนือกำแพงมีเสมาสลักจากหินปักอยู่ เสมามีรูปแบบหัวเม็ดทรงมัณฑ์ ตรงมุมทั้ง 4 สลักเป็นรูปเศียรนาค ตรงกลางสลักลายธรรมจักร ซึ่งเป็นรูปแบบที่ได้รับการคิดประดิษฐ์ขึ้นในสมัยรัชกาลที่ 5
พระอุโบสถเป็นอาคารทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า มียอดโดมปลายแหลมเหมือนโบสถ์ในคริสต์ศาสนา ภายในพระอุโบสถมีเพดานและช่องหน้าต่างสูง มีซุ้มยอดแหลมเป็นที่ประดิษฐาน “พระพุทธนฤมลธรรโมภาส”
พระประธานซึ่งเป็นพระปฏิมากรประทับนั่งขัดสมาธิเพชร และพระอรหันต์สาวก คือ พระโมคคัลลานะอยู่ทางซ้าย และพระสารีบุตรอยู่ทางขวา เบื้องหน้าเป็นที่ประดิษฐานพระนิรันตราย บานประตูหน้าต่างประดับด้วยกระจกสลับสี ที่ผนังอุโบสถทั้งสองข้างประตูทางเข้ามีจารึกประวัติการสร้างวัดและพระพุทธปฏิมากรเหนือประตูพระอุโบสถมีพระบรมสาทิสลักษณ์ของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงเครื่องต้นทำด้วยกระจกสีงดงาม
ด้านหน้าบริเวณทางเข้าพระอุโบสถมีมุขยื่นออกมา ลักษณะเป็นสามเหลี่ยมหน้าจั่วซ้อนกัน 2 ชั้น รอบผนังพระอุโบสถเจาะช่องหน้าต่างเป็นรูปโค้งปลายแหลมทุกด้านของอาคาร บริเวณท้ายพระอุโบสถเป็นหอระฆังยอดโดมลักษณะรูปกรวยแหลมสูงขึ้นไป 3 ชั้น แต่ละชั้นนั้นเจาะช่องหน้าต่างเป็นอาร์คแบบโค้งปลายแหลมไว้รอบหอระฆัง ชั้นแรกมีการเจาะช่องหน้าต่างทั้งสี่ด้าน และวางยอดปราสาทจำลองประดับไว้ที่มุมทั้งสี่ด้าน ถัดขึ้นไปชั้นที่ 2 และชั้นที่ 3 เจาะช่องหน้าต่างและประดับด้วยกระจกสี 8 ด้าน บนสุดของยอดทำเป็นโดมปลายแหลม บนหอระฆังมีเจดีย์สำริดปิดทองภายในบรรจุพระบรมสารีริกธาตุ ตรงผนังเบื้องล่างยอดโดมประดับด้วยนาฬิกา บอกเวลาเป็นเลขโรมัน
