No bloco principal, composto por dois pisos, localizam-se os serviços administrativos e de ensino, com salas de aula distintas para alunas indígenas e alunas europeias.

O internato forma uma ala perpendicular com entrada e acesso independentes para o segundo piso.
No piso térreo, o recreio coberto e o refeitório localizam-se no volume posterior.
A zona residencial das Irmãs foi instalada num edifício independente, com acesso direto à capela, interligado com o conjunto através de uma galeria coberta.

A entrada principal do conjunto destaca-se através de um pórtico, contrastando com a horizontalidade dos volumes com longas coberturas em telha.
Conhecem-se dois projetos de ampliação da autoria de Eurico Pinto Lopes.
O primeiro, apresentado a 2 de julho de 1951, amplia e altera a localização das dependências destinadas às raparigas indígenas e transfere a aula infantil e respetivos sanitários para uma área em contato com a fachada principal.
Em 1953, as alterações mais importantes são a ampliação do salão de festas, transformando a cobertura inclinada numa cobertura plana, e a criação de dois laboratórios (física e química).

O Colégio de Nossa Senhora de Fátima segue as características presentes na maioria dos edifícios oficiais projetados pelo Gabinete, contribuindo para a convergência numa linguagem formal representativa do Estado Novo.