กำแพงของพระอุโบสถแห่งนี้มีความหนาเป็นพิเศษ โดยออกแบบมาเพื่อรองรับน้ำหนักของโครงสร้างหลังคาไม้ขนาดใหญ่ วัสดุหลักที่ใช้คืออิฐและปูนปั้น ซึ่งเป็นเทคนิคการก่อสร้างที่นิยมอย่างแพร่หลายในรัชสมัยของสมเด็จพระนารายณ์มหาราช หน้าต่างโค้งแหลมถูกจัดวางเป็นระยะตามแนวผนังเพื่อช่วยระบายอากาศและเพิ่มแสงสว่างจากธรรมชาติภายในอาคาร พื้นผิวผนังภายนอกเดิมฉาบปูนและประดับด้วยลวดลายปูนปั้น แต่ส่วนใหญ่ผุกร่อนไป เผยให้เห็นอิฐสีส้มที่อยู่ด้านล่าง การออกแบบช่องเปิดของกำแพงที่มีลักษณะสมมาตรสะท้อนถึงการผสมผสานหลักการทางสถาปัตยกรรมยุโรปเข้ากับสถาปัตยกรรมทางศาสนาของไทย