門司港車站大樓以文藝復興樣式為基調，由稱為芒薩特屋頂（雙斜面四坡屋頂）的大屋頂、二層的中央樓、一層的東西樓構成。外壁為石造風格的灰漿塗裝，以突顯部分裝飾完成。壁面上部周圍有覆蓋銅板的小屋簷和女兒牆，芒薩特屋頂的陡坡部分為天然石板瓦葺、緩坡部分為金屬板瓦棒葺，各處設有老虎窗。屋頂上可見的柵欄狀裝飾和突針，是根據老照片等資料在本次修復工程中復原的。
中央樓正面為左右對稱，正面兩端各突出一間，其四隅建成柱形（巨柱式）。正面中央頂部設有三角楣飾和大時鐘。大時鐘是在車站竣工後第四年的大正7年（1918年）設置的，作為門司港車站之象徵受到民眾喜愛。東西樓設有一面坡的罩棚，其上面設置了天窗以便採光。從中央樓的入口到東西樓的正面罩棚為明柱無牆的空間，透過這些光影的投射形成一個讓人感覺有深度的立面。