本殿又稱神殿，基壇為混凝土結構，表面為洗石子，以廊道與拜殿相連接。建築配置順應地形，逐層拾階而上。台座是利用眾多的木柱將其立於台基上為干欄式構造，極盡宗教建築的氣氛。桃園忠烈祠不論在地景規劃、建築設計、用料及施工手法皆屬上乘，建築技術出自日本匠師之手，運用台灣本島生產的檜木構築而成，木質堅實、均勻，線條紋理細緻，色澤沉穩樸實、內斂而優美。樑柱全以嵌接方式固定，不施釘子。歇山式屋頂，呈現出莊嚴古雅的外貌，而銅色的屋頂在經過氣候的風化後，呈現古色古香的青銅綠，相當斑斕可觀。具有很高的藝術價值及歷史見證。