Базилика построена в форме восьмиугольного мартирия византийского типа, близкого по архитектуре к церкви Сергия и Вакха в Константинополе.Наружные стены не имеют каких либо декоративных элементов и расчленены вертикальными и горизонтальными контрфорсами. Здание увенчано гранёным барабаном купола. Архитектура Сан-Витале сочетает элементы классического римского зодчества (купол, порталы, ступенчатые башни) с византийскими веяниями (трёхлопастная апсида, узкая форма кирпичей, трапециевидные капители, пульван и т. д.). Низ внутренних стен базилики облицован мрамором, наборный пол храма украшен геометрическим орнаментом.