Architecture intérieure.
Après une avant-nef circulaire, l'église s'étale sur cinq travées, flanquées de bas-côtés simples, fermés par deux autels (Saint-Joseph et Sacré-Cœur). Puis viennent un transept non saillant abritant le chœur moderne et l'autel de messe, et enfin, en abside, l'ancien chœur voûté en cul-de-four, devenu chapelle de la Vierge.
Dans la nef, l'architecte Émile Brunet a construit une suite d'arcades, en arc légèrement brisé, portées, de manière peu habituelle, mais permise par le béton armé, sur de petites piles octogones renflées à la naissance des arcs.
Au second niveau, les baies, en cintre brisé, reçoivent des vitraux dont les réseaux dessinent une rosace.
La nef est couverte d'une voûte originale. On peut la décrire comme un berceau continu segmenté de puissants arcs diaphragmes ou comme une voûte rythmée d'arcs légèrement brisés [Clémence Préault dans la Base Mérimée]. Ou encore comme une suite d'étroites voûtes en berceau légèrement brisé, rythmée par de puissants arcs transversaux. Dans Les églises de France, Paris et la Seine, l'historien Maurice Dumolin parle de voûte torique.
Dans les bas-côtés, chaque travée est couverte d'une petite coupole (bien représentée sur le plan). Ces bas-côtés s'arrêtent avant le transept et se terminent par un autel et non par une chapelle absidiale.
Le chœur actuel, installé dans le transept, est coiffé d'une grande tour-lanterne à quatre pans. De part et d'autre du chœur, les sacristies sont surmontées de tribunes.
Le transept est délimité, vers la nef, par un arc triomphal orné d'une mosaïque, créée par Auguste Labouret (1871-1964).et dont les scènes illustrent la vie du pape saint Léon.
Le décor, la polychromie des briques, les ferronneries des barrières d'autel, celles des garde-corps des tribunes, et tout l'ensemble qui baigne dans des tons vifs montrent l'influence de l'Art déco, qui s'est imposé en France dans les années 1920.

Saint Léon Le Grand.
Élu pape en 441, Léon Ier eut à lutter contre les hérésies. Le concile de Chalcédoine, en 451, tenta d'y mettre fin en établissant la doctrine des deux natures du Christ, divine et humaine, en une seule personne.
Léon le Grand est proclamé Docteur de l'Église en 1751 par le pape Benoît XIV.
La Légende Dorée rapporte que le concile de Chalcédoine décréta aussi que seules les vierges pourraient prendre le voile et que Marie serait appelée «Mère de Dieu». Mais saint Léon est également le pape connu pour s'être déplacé au-devant d'Attila afin de le convaincre de ne pas attaquer Rome.