Implantée au nord de la rue des Casernes, entre les établissements réservés à l'équipage de la flotte à l'est et ceux destinés à l'infanterie de marine à l'ouest, la chapelle Notre-Dame du Port ne comprenait qu'une seule nef, d'une longueur de 25 mètres et d'une hauteur de 11 mètres 50. Conçue sur le modèle de la petite église des soeurs de la Charité rue de la Bucaille, construite quelques années plus tôt sur les plans de l'ingénieur Louis-Napoléon Robert, la chapelle du port militaire était capable d'accueillir près de 440 fidèles. La façade principale, ornée d'un portail en arc brisé et d'une rose polylobée, intégrés dans un arc aux proportions monumentales, était surmontée par un gable et un clocher couvert par une flèche polygonale. Divisée en sept travées, rythmées extérieurement par des contreforts, la nef aboutissait à un choeur de forme polygonale. Ce dernier était garni d'un maître-autel orné d'une statue de la Vierge de l'Immaculée Conception offerte par le ministre de la Marine et des Colonies en 1866, miraculeusement épargnée lors de l'incendie de juin 1940. Celle-ci se trouve actuellement dans la chapelle Notre-Dame des armées de l'ancien hôpital de la Marine au 61 rue de l'Abbaye (voir IM50000418).