L’église Saint-Eugène fut l’œuvre de l’architecte Louis-Auguste Boileau. Bâtie sur l’emplacement de l’hôtel des menus plaisirs du roi dans le IXè arrondissement (quartier en pleine expansion à l’époque), sa principale caractéristique est sa construction dans le style du XIIIè siècle, ais en employant la fonte et le fer pour les piliers et les nervures. Ceci pour la première fois en France, en particulier s’agissant d’un édifice religieux, en prélude aux œuvres de Baltard.
Sa façade se compose d’une haute muraille, divisée en cinq parties par des contreforts et dessinant exactement la forme de l’édifice. Au centre une porte avec voussure et tympan sculpté ; en dessus d’elle un gâble bordé de crochets, puis une rose et enfin le pignon de la grande nef que domine une statue d’ange. Deux petites portes flanquent, à droite et à gauche, la porte principale ; elles sont surmontées, à la hauteur de la voussure de celle-ci, par une galerie à jour. Les compartiments qui suivent sont ornés d’arcatures, de statues et de deux longues fenêtres. Les côtés de l’église présentant toute une suite de pignons. Chacun de ces pignons est percé de deux fenêtres et d’une rosace.
En entrant dans l’église, on est d’abord frappé par l’abondance des lumières et la richesse des couleurs. De très beaux lustres, tout à fait second empire, enrichissent la vue générale. Quel que soit l’endroit où l’on se place, l’œil embrasse la totalité du volume qui l’environne.
Le plan de l’église présente trois nefs et deux collatéraux surmontés de tribunes en fonte peintes et dorées ; les tris nefs se terminent par trois absides ; l’abside centrale pour le maître-autel et les deux autres pour les chapelles de la Vierge et de Saint-Eugène.
Les fenêtres et les roses sont toutes occupées par des verrières œuvres de Lusson et de Laurent et Gsell. Les quatorze stations du Chemin de Croix, situées dans la partie inférieure de l’église, sont de Oudinot d’après les cartons de Gérard-Séguin. Au-dessus, dans les tribunes, se déroulent, du côté gauche, la vie privée de Jésus et, de l’autre, sa vie publique.
Les trois grandes verrières de l’abside centrale représentent la Cène, Jésus au jardin des oliviers et la Transfiguration et les verrières des absides latérales, d’un côté la vie de la Vierge, de l’autre celle de Saint-Eugène.
A l’éclat des verrières se joint celui des peintures qui recouvrent toutes les parties de l’église ; les colonnes sont bleu d’acier et bronze florentin, les arcs, les nervures sont également riches de teintes, les voûtes sont semées d’étoiles.
La longueur de l’église est de 50 mètres sa largeur de 25 mètres ; la hauteur de la nef principale est de 23 mètres ; celles des nefs latérales de 15 mètres. Les colonnes de la nef en fonte creuse sont de 30 centimètres de diamètre et de 2 centimètres d’épaisseur. L’ameublement : l’orgue ( de Merklin et Schültze), la chaire, les stalles, les confessionnaux, les escaliers des tribunes se distinguent par leur élégance. Le maître-autel est décoré de treize niches trilobées, garnies de statuettes et surmonté d’un retable à jour dans lequel les chandeliers sont remplacées par des ornements d’architecture. Sa réalisation s’inspire de celui de la cathédrale de Clermont-Ferrand.