La chapelle construite dans un style néogothique et voûtée en ogives, comprend une nef unique terminée par une abside en cul-de-four, ainsi que des chapelles latérales. Le chevet comprend deux grandes baies oblongues à arc brisé, décorées par une moulure en terre cuite et habillées de vitraux réalisés au 20e siècle. Ces derniers représentent d’un côté la Vierge à l’Enfant ainsi que l’Assomption, et de l’autre la Crucifixion et l’Ascension du Christ. Les baies présentent la même typologique que celle des chapelles latérales, divisées par un meneau terminé en arc brisé et un œil-de-bœuf central quadrilobé. Les verrières aménagées au sein des chapelles latérales représentent les membres de la famille Barthélémy, qui a contribué à l’essor de l’établissement thermal au lendemain de la seconde guerre mondiale.

L’entrée à l’intérieur de l’édifice s’effectue au Nord-Ouest, par une porte en bois à lames verticales et cloutée. Celle-ci comprend un trumeau décoratif et deux vantaux, dont celui de droite ouvragé et terminé en arc brisé, est protégé par une grille en fer forgé. La porte possède un encadrement brisé en pierre de taille (granit), marqué en partie médiane par un linteau droit. La porte est surmontée d’une baie, identique à celle de l’abside. De plus, la façade constitue un mur pignon, couronnée par un petit campanile à croix en fer forgé.

L’intérieur constitué d’un sol en carreaux de ciments décoratifs, comprend au-dessus de l’entrée principale un escalier en colimaçon menant à une passerelle étroite, qui permet d’accéder à la toiture [CCRP. Molitg-les-Bains, Chapelle des Thermes. 2005]. Celle-ci a la particularité d’être couverte de lloses, matériau traditionnel employé dans les villages développés en bordure de la Castellane, avant la généralisation de la tuile canal. De forme conique et développée en bâtière, la toiture est agencée de manière pyramidale pour les chapelles latérales. La terre cuite est intégrée en tant qu’élément décoratif, pour souligner la corniche à plusieurs rangs ainsi que les encadrements de baies (cayrous).

Enfin, la maçonnerie de la chapelle a été reprise, avec des murs montés intégralement en moellons de granit liés à du mortier de chaux, et des angles traités en chaînage harpé de gros moellons équarris. Un système d’évacuation des eaux de pluie en cayrous est par ailleurs intégré entre chaque baie des chapelles latérales.