Kirken ble ikke bygget i en spesiell historisk stilart, som f.eks. nygotisk stil, som var den hyppigst anvendte stilarten for de fleste nye kirker som ble oppført i slutten av 1800-tallet. Men kirkebygningen harmonerte godt med tidens forståelse av hvordan et kirkehus skulle se ut.
Kirken ble bygget med 1000 sitteplasser. En senere ombygging reduserte sitteplassene til vel 700. I dag er det plass til rundt 400 hvis man skal sitte godt. 
Det har også vært gjort flere endringer i kirkerommet opp igjennom tidene, ikke minst med hensyn til utsmykning.
Altertavlen er malt av Otto Sinding i 1879.
Det var vanskelige lysforhold i koret, og i 1913 ble det bestemt å sette inn glassmalerier i de to korvinduene. Det ene har motivet «julen», det andre har «påsken». Da glassmaleriene kom, ble man kvitt det skjemmende motlyset.
Fram til 1920 ble det også satt inn glassmalerier i vinduene på kirkens sørside. 
Freia sjokoladefabrikk finansierte to glassmalerier, Cloetta sjokoladefabrikk gav midler til et bilde. De andre glassmaleriene ble finansiert av forskjellige gaver fra folk i menigheten.
Alle glassmaleriene i koret og i kirken ble utført av kunstneren Enevold Thømt. De store glassmaleriene har motiver hentet fra apostelen Peters liv, apostelen som kirken var oppkalt etter.
Det forelå planer om en tilsvarende utsmykning på kirkens nordtside, men det var ikke nok midler til det.
I 1951 ble det satt inn et glassmaleri i våpenhuset, laget av Maria Vigeland.
Gamle bilder av kirkens interiør viser at kirkerommet opprinnelig var opplyst av gasslamper. I 1914 ble elektrisk lys installert, og menigheten var svært begeistret over de nye lysforholdene. Likevel har kirkerommet vært dunkelt og det er blitt lagt ned mye arbeid i lyssettingen. Nå er det kommet så langt at koret er godt opplyst ved hjelp av store lyskastere. Alterbildet kommer nå til sin rett.
Men den gode lyssettingen får også fram forfallet i bygningen. Det er store sprekker i muren i koret. Noe må gjøres med det, men likt med de fleste kirkebygninger i Oslo blir ikke slikt prioritert. Det finnes ikke kommunale midler for å verne om byens gamle bygninger og kirker.
Den siste, store restaureringen av kirken ble foretatt i 1967-68. Kirken var stengt i 13 måneder. Da ble blant annet gulvet, som før var belagt med asfalt, byttet ut med fliser av sort Tana-skifer. Det ble også lagt varmekabler i gulvet.
I forbindelse med 2000 års feiringen i Oslo ble det montert flomlys rundt kirkebygningen.Det var bydelen som bevilget penger til anlegget. Bygget kommer nå virkelig til sin rett på mørke kvelder og netter.
Menighetskontorene er flyttet ut av kirken til menihetshuset. Men kirkebygget står ikke tomt på ukedagene likevel. Her er det aktiviteter med korøvelser, babysang og andre aktiviteter uka gjennom. Kirken er også i hyppig brukt til CD-innspillinger. Flere av landets fremste musikere benytter seg av Sofienberg kirke når de skal spille inn plater. Kirken har en god akustikk og atmosfære, og de ferdige produktene er av høy kvalitet. Flere har blitt Grammy-nominsert.
Orgelet
Kirken har i mange år slitt med dårlig orgel. Men i mars 2014 ble nytt orgel innviet, bygget av det tyske orgelbyggeriet Eule. Orgelet er unikt og tilpasset Sofienberg kirkes akustikk og gamle orgelfasade. Dette er Oslos nyeste kirkeorgel, og et fantastisk instrument! Les mer om orgelet på egen side.
Kirkens navn
Kirken har skiftet navn to ganger. Den ble bygget under navnet Paulus kirke, som da var navnet på den store menigheten som omfattet de sterkt bebodde områdene Grünerløkka og Rodeløkka. I 1880 ble menighetene delt, til Paulus og Petrus menighet. Paulus menighet fikk sin egen kirke i Birkelunden 1892, og tok med seg den gamle sognekirkens navn. Kirken i Sofienbergparken fikk navnet Petrus. I 1962 ble navnet igjen forandret, til det geografiske navnet Sofienberg. Det var et navn som på folkemunne ble brukt av mange for å unngå forveksling mellom Paulus-kirken og Petrus-kirken.
Det kan også nevnes at da menigheten ble opprettet, lå det inne et forslag om at navnet på sognet skulle være Betlehem. Også Nazareth var oppe som forslag på navn på kirkebygningen.