Bildhauer Hubert Schiefelbein entwarf die eindrucksvolle Außenhülle der Stadthalle aus Formsteinen. Die markanten Elemente aus Gips umspannen den Stadthallen-Saal und werden bei Einbruch der Dunkelheit beleuchtet.
 

Zwei Elemente der Innenarchitektur sind besonders markant: die von Eberhard Reppold entworfene charakteristische Strukturdecke und jenes Dreiecksraster, das die polygonale Raumstruktur ermöglichte.

Der rotgeflammte Naturstein Porphyr ist an der Außenfassade und in den Foyers verbaut. Der Rochlitzer Porphyr wird am Rochlitzer Berg und in einem kleineren Steinbruch auf der Pappelhöhe bei Rochlitz in Sachsen seit vielen Jahrhunderten als Naturwerkstein abgebaut.

Bereits die fünf großen Stahltüren am Stadthallen-Foyer, die der Kunstschmied Achim Kühn aus Edelstahlblech gefertigt hat, fangen die Blicke neugieriger Besucher ein. Mit der Glasfront des Foyers bilden sie eine interessante Spannung.

Die Türen wurden in den Jahren 2015/2016 von der Kunstschlosserei (Atelier für Stahl- und Metallgestaltung Achim Kühn in Berlin) saniert. Sie setzen sich aus verschiedenen Metallen und Metalllegierungen zusammen, die z.B. mit Spezialverätzung oberflächengestaltet werden. Die Eingangsportale wurden durch den Chemnitzer Metallbau- und Schmiede Meisterbetrieb Steffen Seidel repariert und teilweise nach speziellen Konstruktionszeichnungen vom Urheber neu hergestellt.

Die Stahltüren führen ins große Foyer, in dem Säulen den Wandelhallen-Charakter untermalen. Die Wände dahinter sind Betonstrukturen von Hans Brockhage mit dem "Ausdruck erstarrten Holzes". Diese dekorative Sichtflächengestaltung besteht aus Beton und gerissenen Fichtenstämmen.

Im Mittelpunkt der Lichthalle des Foyers befindet sich Prof. Fritz Cremers Plastik "Und sie bewegt sich doch! - Galilei". Das 2,70 Meter hohe Kunstwerk aus Bronze greift das Historische auf und manifestiert so das immerwährende Grundprinzip der Veränderung: Nichts ist beständig, nicht die Historie, nicht die Welt, wie man sie sieht. 

Horst Zickelbeins Wandbild „Die Befreiung der Wissenschaft durch die sozialistische Revolution“ - Acryl-Dispersionsfarbe auf 48 Gipskartonplatten - beeindruckt heute weniger durch die Programmatik - vielmehr imponiert die aufregende Farbgebung des Kunstwerks.

Als eine der größten in einem Profanbau ist die Orgel eine der künstlerischen Kostbarkeiten unseres Hauses. Von 1972 bis 1976 wurde sie im VEB Orgelbau Dresden, dem heutigen Orgelbau Jehmlich, konstruiert und vorgebaut. 1976 erfolgten der Einbau in die Stadthalle und die Einweihung durch die Orgelbauer.

Die vielfältigen Spielmöglichkeiten und verschiedenste Klänge können über vier Manuale, 67 Register und 5536 Pfeifen aus dem Instrument gelockt werden. Die kleinste Pfeife misst dabei gerade einmal 5 mm, während die größte stolze 7,50 m erreicht. Ein großes Fußpedal ergänzt das beeindruckende Tasteninstrument, das bei ausgewählten Sinfonie- und Weihnachtskonzerten, bei jährlich stattfindenden Orgelkonzerten gespielt wird.

In unmittelbarer Nähe zum Eingang steht die Plastik "Würde, Schönheit und Stolz des Menschen im Sozialismus". Das von der Stadt Karl-Marx-Stadt in Auftrag gegebene und von Gerd Jaeger umgesetzte Kunstwerk wurde zur Eröffnung der Stadthalle im Jahre 1974 aufgestellt und wird auch kurz "Würde und Stolz unserer Menschen" genannt.

Rainer-Maria Schubert fertigte die dreiteilige Plastik "3 Skulpturen-Verwicklungen" an, die 2001 fertiggestellt wurde. Sie besteht aus einem mit Faserbeton überzogenen Stahlgerüst. Das Kunstwerk entstand im Rahmen des Kunstprojektes "InSicht".

Die Skulptur Wissenschaft als Produktivkraft aus Porphyr von Wieland Förster wurde ebenfalls zur Eröffnung der Stadthalle 1974 fertiggestellt. Von der Stadt in Auftrag gegeben, stand die Stele bereits sowohl im Foyer des Carlowitz-Saals als auch zwischenzeitlich am Eingang des Hotels Mercure, bevor sie zum jetzigen Standort wanderte - in der Nähe des Eingangs zur Stadthalle.