Капелла смоделирована по типу византийских центрических храмов IV–VI вв., напоминая одновременно и ротонду Гроба Господня в Иерусалиме, и церковь Св. Сергия и Вакха в Константинополе, и церковь Сан-Витале в Равенне. Однако не копирует их буквально, но лишь «цитирует». Здание представляет собой восьмигранное сооружение, перекрытое куполом, который опирается на восемь мощных столбов. Октогон окружен двухъярусной обходной галереей с симметричными арками и колоннами и, в свою очередь, вписан во внешний шестнадцатигранник. При этом вся капелла помещается в условный куб со стороной 28 метров. Колонны и мрамор для внутренней отделки были специально вывезены из Равенны и Рима, где франки сняли их с античных построек, таким образом буквально воплощая идею
В восточной части капеллы располагался двухъярусный алтарь. Нижний был посвящен Деве Марии, верхний — Христу. Алтарный выступ не сохранился: во второй половине XIV — начале XV в. его заменили готическим хором с апсидой. С запада к октогону примыкало прямоугольное двухэтажное сооружение (т. н. вестверк), обращенное одной стороной внутрь церкви, а другой — в прилегающий атриум. Вестверк дополняли две небольшие башни. Пространство на втором этаже предназначалось для короля и его семьи. Там же стоял королевский трон — на одной высоте с алтарем Христа. Нижний этаж отводился придворным, т. е. в широком смысле слова всем остальным подданным. С севера и юга к октогону были пристроены два небольших прямоугольных здания, предположительно ризница и библиотека или, возможно, скрипторий. Таким образом сверху церковь напоминала вытянутый латинский крест. С другой стороны, сам октогон, промежуточная форма от квадрата (знака земли) к кругу (знаку неба), символизировал переход от материального к духовному, от земного к божественному, от преходящего к вечному. А то, что «в Аахене он вдобавок был вписан в шестнадцатигранник, лишь акцентировало данную символику.
Капелла являлась органичной частью обширного дворцового комплекса. Как показали археологические изыскания, последний был вписан в квадрат, внутри которого использовали регулярную «римскую» застройку. Все здания хозяйственного и административного назначения располагались между капеллой в восточной части и королевским дворцом — в западной. Дворец и церковь, в свою очередь, соединяла крытая галерея. Причем по ней можно было попасть сразу на второй ярус капеллы.
В науке неоднократно высказывалось предположение, что при возведении комплекса каролингские архитекторы ориентировались на описание Небесного Иерусалима, данное в Апокалипсисе (Откр. 21, 15:17). Град, где праведники обитают вблизи Господа «и сам Бог с ними будет Богом их», расположен четырехугольником, «длина, и широта, и высота его равны». Вероятно, Аахен воплощал на земле идею небесного Града. И даже конкретные цифры, приводимые Иоанном Богословом (город на 12 тысяч стадий и стена в 144 локтя), адаптированы к размерам аахенских построек.
В архитектурном облике капеллы реализовано несколько важных идей, которые получили развитие в дальнейшем. К таковым следует отнести иерархическую организацию внутреннего пространства не только по горизонтали, но и по вертикали, создание верхних галерей, а также внедрение вестверка. Последний являл собой место, отведенное специально для государя. При Каролингах пристройку начали укреплять башнями, как можно судить по сохранившемуся западному фасаду монастырской церкви в Корби (первая половина 870-х гг.), или по гравюрам, на которых изображена церковь монастыря Сен-Рикье. Вестверк, таким образом, символизировал защиту Церкви со стороны светской власти.
Значительно меньше можно сказать о регулярной застройке. Неизвестно, насколько широкое распространение она получила при Каролингах. Но знаменитый план идеального монастыря, сохранившийся в библиотеке Санкт-Галлена, определенно указывает на то, что каролингские архитекторы в разных частях империи стремились реализовать эту идею на практике. Правильное аббатство, по их мнению, должно было не только располагать всем необходимым для жизни, но и выглядеть как небольшой древнеримский город.
Равным образом, невозможно установить, насколько часто при Каролингах возводились центрические церкви. Вполне вероятно, что Аахенская капелла осталась единственным октогональным храмом к северу от Альп. Но ротонда определенно применялась. Убедительным свидетельством тому является церковь Св. Михаила в Фульде. Построенная в самом начале 820-х гг., она считается самой древней в Германии «копией» храма Гроба Господня. Ротонда во внутреннем пространстве церкви исполнена в виде сводчатых арок, которые опираются на восемь коринфских колонн. Аналогичную форму имеет и крипта, но ее свод опирается на единственную колонну, довольно короткую и украшенную ионической капителью.