Arquitectura del templo
Aunque la iglesia ya no conserva su arquitectura original ni muchos de los tesoros que tuvo, guarda otros que merece la pena visitar: dos portadas, una gran cúpula y capillas como la de los Arquitectos, de Ventura Rodríguez.
El exterior
En la calle de Atocha está una de las portadas del templo. En origen era de estilo churrigueresco, pero en el siglo XVIII se rehízo al gusto de la época. Un gran arco de medio punto da paso al atrio, donde están el acceso a la capilla de Belén y un bajorrelieve que recuerda la restauración del espacio en 2010. Aunque es la entrada principal, es muy sencilla: su única decoración es el fresco del frontón, con el martirio de san Sebastián, obra del pintor hiperrealista Ricardo Sanjuán. Cierra el conjunto una reja moderna.
La otra portada, en la calle de San Sebastián, fue en origen la entrada principal y es mucho más interesante. Se hizo con piedra aprovechada de la antigua portada de Atocha. Es neoclásica: dos columnas jónicas enmarcan la hornacina y sostienen el frontón. En el centro hay una escultura moderna de san Sebastián, de Antonio Martín Méndez; la original, de Luis Salvador Carmona, se destruyó en la Guerra Civil.
Por fuera, el templo tiene una volumetría compleja, coronada por una cúpula central de aspecto clasicista y marcado estilo de posguerra.
El interior
Dentro destaca la sencillez de la nave centralizada, cubierta por una gran cúpula. En sus pechinas están los cuatro evangelistas con el tetramorfos, esculpidos por Antonio de la Cruz Collado. La cúpula está formada por nervios que se cruzan a la manera de la arquitectura árabe, y en el centro tiene una linterna sobre lunetos por la que entra la luz natural.
Altar mayor
Desde la entrada principal se ve el altar mayor, obra de los Talleres Granda, a los que se encargó la reconstrucción de la mayoría de las iglesias destruidas en la guerra. En el centro del retablo, una gran hornacina guarda un san Sebastián de Cruz Collado, réplica del que Alonso Berruguete hizo para el convento de San Benito de Valladolid. Remata el conjunto un Calvario del sevillano Luis Ortega Bru, con un crucificado parecido al Cristo de la Salud y Caridad de la capilla de Montesión de Sevilla; resulta original la postura sedente de la Virgen y san Juan. Al fondo, una vidriera contemporánea representa al Espíritu Santo.
Más abajo hay un altar de piedra con sagrario, obra del broncista Pedro José de Villalba sobre un proyecto de Íñiguez Almech. El sagrario, de mármol de Siena, lleva en las puertas un apostolado que recuerda al que pintó el Greco para la catedral de Toledo. Encima está la Virgen con el Niño del pintor italiano Giovanni Battista Salvi, «Sassoferrato».
Capilla mayor
A los pies de este altar está la capilla mayor, singular por sus cuadros. Desde la puerta de la sacristía: una Inmaculada Concepción de Matías Ximeno y un Martirio de san Sebastián de Dionisio Mantuano, ambos del siglo XVII. En el lado opuesto, un Santo Ángel de la Guarda de hacia 1890, de autor desconocido, y la Preparación para el martirio de san Sebastián, soberbio lienzo del siglo XVII del napolitano Luca Giordano, «Lucas Jordán».
Justo debajo, dos grandes capillas paralelas con columnas pseudosalomónicas guardan el Sagrado Corazón de Jesús, de Víctor González Gil, y una talla de san José que recuerda a la de José Luis Vicens en la iglesia de San Ginés.
Crucero
En el centro del crucero brilla una copia de la Inmaculada Concepción de Tiepolo, cuyo original está en el Museo del Prado, pintada por María Fuencisla Llorente.
En el lado opuesto de la nave está la capilla de santa Maravillas de Jesús, bautizada en esta iglesia en 1891. Su retrato de cuerpo entero es, como el fresco del atrio, de Ricardo Sanjuán, y guarda una pequeña reliquia de la santa.
Antiguo altar mayor
Sobre el antiguo altar mayor está la que fue capilla del Sagrado Corazón de Jesús, hoy con una Divina Misericordia según la visión de santa Faustina Kowalska. Tras su revelación de 1931, la religiosa pidió a Eugeniusz Kazimirowski que pintara a Cristo misericordioso; en 2019 Ricardo Sanjuán hizo para este espacio una réplica exacta de aquel cuadro.
Capilla de Nuestra Señora de la Misericordia
Al oeste de este altar está la capilla de Nuestra Señora de la Misericordia, cuyos cofrades pagaron en 1942 la talla actual. La Virgen, también de González Gil, es una imagen de vestir que imita a la original, destruida en la guerra, de la que se conservan las vestiduras antiguas. A los lados cuelgan la Presentación de Jesús en el templo y la Circuncisión, de Lucas Jordán.
Capilla de los Arquitectos
Al este está uno de los espacios más importantes del templo: la capilla de la Real Congregación de Arquitectos de Nuestra Señora de Belén en su huida a Egipto. La levantó el maestro Francisco Moreno en 1693 y la remodeló Ventura Rodríguez entre 1766 y 1768. Tiene planta de cruz griega y destaca por su cúpula de casetones con cabezas de querubines en las pechinas. En la cabecera luce un mural de la Huida a Egipto de Joaquín Vaquero Palacios. Aquí están enterrados los arquitectos Ventura Rodríguez y Juan de Villanueva.