Het stuk grond dat Frans Vermeylen in 1874 van de stad Leuven kocht, was verdeeld over drie loten die elk nagenoeg dezelfde oppervlakte hadden. Mogelijk heeft deze terreinverdeling een invloed gehad op het grondplan van het uit 1877 daterende kunstenaarsatelier. Het gebouw bestaat immers uit drie vleugels die U-vormig zijn opgesteld rondom een vrij smalle binnenplaats. Aan de straatkant is die binnenplaats afgesloten door een ijzeren hekwerk. Ook de bestemming van het gebouw heeft ongetwijfeld meegespeeld bij het spel der bouwvolumes. Van bij het begin was het immers louter bedoeld als atelier. Het ontwerp waarmee J.L. Loos voor de dag kwam, beantwoordde perfect aan die functie: twee grote ruimtes waarin de kunstenaar kon werken en een middenbouw voor het opslaan van het materiaal.

Het atelier, een baksteenbouw, is opgetrokken in eclectische stijl met een duidelijke overheersing van neorenaissancistische kenmerken. De architecturale kracht van het bouwwerk ligt in de uitwerking van de voorgevels. Eén van de voorwaarden die waren opgenomen in de verkoopakte van het terrein was het verbod om in de achtergevel van het gebouw deur- of vensteropeningen te maken. Dat was een preventieve maatregel die ervoor moest zorgen dat het gesloten karakter van de achterliggende speelplaats bewaard bleef. Nu nog is die achtergevel nagenoeg blind.

De voorgevels van de oostelijke en westelijke dwarsvleugels zijn opgevat als gebroken puntgevels. De vormgeving ervan is sterk beïnvloed door de architectuur van Andrea Palladio. In een breed en rondbogig gevelvlak is een bovenlicht met een waaiervormige roedeverdeling aangebracht. Dit centrale gevelvlak is door middel van een natuurstenen lijst verbonden met twee smalle velden aan weerskanten ervan. Op imposthoogte worden die smallere gevelvlakken door een deel van de lijst afgedekt. De eenheid van dit geheel wordt nog versterkt door de bakstenen panelen die in elk van de drie gevelvlakken terugkeren. Over heel de gevelwand zorgt bovendien niet alleen het contrasterend materiaalgebruik - bak-, hard-, en natuursteen - maar ook de gevarieerde metselverbanden voor een kleurrijk geheel. Het decoratieve karakter dat op die manier ontstaat, wordt nog versterkt door de verschillende siermotieven die over de gevel zijn verspreid, én door de sculpturen en vazen die elk van beide puntgevels bekronen. Ook de puntgevel van de naar achter uitwijkende middenbouw valt op door de decoratieve uitstraling ervan. Het meest in het oog springend is de nog bewaard gebleven houten kapconstructie en de vegetale motieven die in het hout van het windbord zijn uitgesneden.

De uitwerking van de zijgevels die op de binnenplaats uitkomen is veel soberder. Iedere gevel bestaat uit vier traveeën: drie getoogde vensters en een dito middendeur met bovenlicht. In de zijgevel van de oostelijke vleugel zijn ondertussen echter twee vensters verlaagd; in de tegenoverliggende vleugel is één raam gedicht.

Interieur

Het interieur heeft in de loop der tijden grondige wijzigingen ondergaan. In de jaren dat het gebouw nog als atelier dienst deed, waren de ruimtes van de oostelijke en westelijke vleugel opgevat als ruime en goed verlichte werkplaatsen. Later, waarschijnlijk tussen 1922 en 1950, heeft men in elk van de vleugels een verdieping aangebracht. Daardoor is de oorspronkelijke binneninrichting minder duidelijk afleesbaar; ook het dichten en verkleinen van de ramen in de zijgevels zorgt ervoor dat het binnen nu veel donkerder is. Op de plaatsen waar gedeelten van het plafond naar beneden zijn gekomen is nog de 19de-eeuwse houten kapconstructie zichtbaar. Het voormalig atelier Vermeylen werd als monument beschermd in 1999.