พระอุโบสถวัดท่าหลวงเป็นอาคารสถาปัตยกรรมไทยประเพณีที่สง่างาม ตั้งอยู่ท่ามกลางการจัดภูมิทัศน์ที่ประณีต ตัวอาคารมีความโดดเด่นด้วย หน้าบัน ที่แกะสลักลวดลายไทยปิดทองอย่างวิจิตรบนพื้นสีน้ำเงิน ประดับตราสัญลักษณ์มงคลตรงกลาง ซุ้มประตูทางเข้าเป็นทรงมงกุฎประดับกระจกสีและปิดทองคำเปลว ด้านข้างพระอุโบสถเป็นที่ตั้งของ วิหารน้อย ซึ่งเป็นเรือนไม้ทรงไทยที่มีงานแกะสลักไม้ประณีตและผนังกระจกใสเผยให้เห็นพุทธปฏิมาภายใน พื้นที่รอบอาคารปูด้วยกระเบื้องดินเผา เชื่อมต่อกับสวนหย่อมที่ตัดแต่งไม้พุ่มเป็นรูปทรงเรขาคณิต (Topiary) สร้างบรรยากาศที่สงบและเป็นระเบียบ นอกจากนี้ยังมีจุดบริการน้ำพระพุทธมนต์หลวงพ่อเพชรที่ออกแบบเป็นรูปทรงบาตรพระขนาดใหญ่เพื่ออำนวยความสะดวกแก่พุทธศาสนิกชน