Ο ναός είναι ρυθμού βασιλικού, τρίκλητος, καμαροσκέπαστος. Είχε ξύλινη στέγη και στο εσωτερικό του βρίσκονται έξι μαρμάρινοι κίονες. Κάτω από το δάπεδο διακρίνονται τάφοι. Το εκκλησάκι αναστηλώθηκε το 1942 από τον Αναστάσιο Ορλάνδο και αγιογραφήθηκε από τον ζωγράφο Φώτη Κόντογλου. Στο μικρό περίβολο της εκκλησίας υπάρχουν κρήνες και κίονες από την αυθεντική του μορφή.
Έξω από το ναό, στα δεξιά της εισόδου του, σώζεται η κολώνα, όπου η Αγία Φιλοθέη βασανίστηκε από τους Τούρκους.
Τη νύχτα της 2ας προς 3η Οκτωβρίου 1588 κατά τη διάρκεια ιερής ολονυκτίας για τη γιορτή του πολιούχου της Αθήνας Αγίου Διονυσίου Αρεοπαγίτου, οι Τούρκοι εισέβαλαν στον ναό, παραβιάζοντας το ιερό του χώρου, σφόδρα ενοχλημένοι από το φιλανθρωπικό έργο της Αγίας Φιλοθέης, αλλά κυρίως γιατί τους στερούσε υλικό γυναικών προορισμένο για τα χαρέμια τους. Αφού τη συνέλαβαν, την έδεσαν και τη μαστίγωσαν με ραβδιά αφήνοντάς την ημιθανή. Οι μοναχές την μετέφεραν στη μονή της Καλογρέζας όπου, στις 19 Φεβρουαρίου 1589, υπέκυψε στα τραύματά της.
