Kościół ma nawę główną z dwoma nawami bocznymi, narteks na całą szerokość kościoła oraz dużą półkolistą apsydę o tej samej szerokości co nawa środkowa[2].
Bazylikę wzniesiono z czerwonej cegły. Nawy boczne mają po siedem okrągłych okien w ścianach zewnętrznych, górna część ściany nawy głównej ma również po siedem okien z obu boków. Końce naw bocznych zajmują kaplice bez okien[2].
Portyk ma sześć szarych granitowychkolumn jońskich podtrzymujących belkowanie. Na fryzie znajduje się mozaikowy napis, białymi literami na niebieskim tle, upamiętniający papieża Piusa X i edykt mediolański z 313 roku: „An[no] Chr[isto] MCMXIII Pius X P[ontifex M[aximus] in memor[ia] pacis a Constantino eccl[esiae] datae Cruci S[anctismmi] D[edita] ab edicto a[b anno] CCCXIII”[2].
Fasada kościoła nad portykiem ma arkadę pięciu dużych okien oddzielonych małymi kolumnami korynckimi, wspierającymi archiwolty. Pod linią dachu znajduje się gzyms ozdobiony mozaiką zaprojektowaną przez Biagio Biagetti. Pośrodku mozaiki umieszczono krzyż w chwale, w otoczeniu rzymskich żołnierzy, aniołów, czcicieli oraz owiec[2].
Po prawej stronie kościoła znajduje się siedmiokondygnacyjna dzwonnica z czerwonej cegły. Kondygnacje są oddzielone od siebie zębatymi gzymsami[2].
Fasada bazyliki
Górna część fasady
Dzwonnica bazyliki
Nawy boczne są oddzielone od nawy głównej arkadami z sześcioma kolumnami jońskimi po obu stronach. W połowie prawej nawy znajduje się wejście do baptysterium, małego ośmiobocznego budynku zaprojektowanego przez Carlo Stopponi i dodanego w 1961 roku[2].
Apsyda ma pięć okien, witraże w trzech z nich są autorstwa Giuseppe Moroni i przedstawiają Św. Helenę odkrywającą Prawdziwy Krzyż, Cesarza Herakliusza zabierającego krzyż do Jerozolimy i Zmartwychwstałego Chrystusa przed krzyżem. Koncha apsydy mieści fresk będący dziełem również Giuseppe Moroni[2].
Wolnostojący ołtarz główny ustawiono pod cyborium o czterech kolumnach korynckich podtrzymujących kwadratowe belkowanie z białego marmuru z czerwonym marmurowym fryzem. Powyżej znajduje się arkada z pięcioma małymi łukami z każdej strony i centralna latarnia[2].
Wnętrze bazyliki
Kardynałowie prezbiterzy
Bazylika Świętego Krzyża na Via Flaminia jest jednym z kościołów tytularnych nadawanych kardynałom-prezbiterom (Titulus Sanctae Crucis in via Flaminia)[4]. Tytuł ten został ustanowiony 5 lutego1965 roku przez papieża Pawła VI[4].
