陈家祠的建筑以装饰精巧、堂皇富丽而著称于世。木雕、石雕、砖雕、泥塑、陶塑、铁铸工艺等各种各样的装饰，遍布在祠堂内外的顶檐、厅堂、院落、廊庑之间。图案题材广泛，造型生动逼真，雕刻技艺精湛，用笔简炼粗放却又精雕细琢，与雄伟的厅堂浑然一体，被誉为“岭南建筑艺术明珠”。

陈家祠前的壁间有六幅画卷式的大型砖雕，每幅砖雕长达4米，是用一块一块的青砖雕刻好了以后再连接成一体的，立体、多层次的画面里有神话传说、山水园林、花果禽兽、钟鼎彝铭等。陶塑工艺集中在19座和悔厅堂屋顶上的瓦脊；砖雕以东、西倒座外墙的最具规模；灰塑集中在瓦脊及院廊上，是南海灰塑艺人所作；木雕除梁架与大门及聚贤堂的屏风外，后座的11座双层透雕神龛，体型高大，有“光绪十六年”、“回澜桥刘德昌造”“源昌街时泰造”等题款。

建筑中的各种雕刻装饰，主要由建筑商到省内县组织聘请大批能工巧匠集中到广州制作。根据现有的资料，参加砖雕制的艺人有番禺的黄南山、杨鉴庭、黎壁竹，南海县的陈兆南、梁澄、梁进等。其中以黄南山雕刻的数量最多。

陈家祠堂在1958年修缮后辟为广东民间工艺馆。郭沫若同志曾在1959年参观后留有一首五言诗：“天工人可代，人工天不如。果然造世界，胜读十年书。”陈家祠的建筑装饰工艺早在20世纪20年代已为国内外建筑专家和学者所重视，德国和日本的建筑艺术专著中已有专题介绍。 木雕在陈氏书院是数量最多、规模最大的一种建筑装饰。木雕业在明代逐步趋于繁盛，随着硬木（俗称红木）家具的发展而成长，为岭南传统手工艺的一种。陈氏书院室内的屏门挡中、龛罩、花罩、梁架、坨墩、斗拱、檐板、雀替等，广泛采用了木雕装饰。

陈氏书院的木雕以浮雕和镂雕两种工艺手法为主，建筑上下几乎所有的木构件都雕刻着难以尽数的历史故事和吉祥图案。首进头门梁架上雕有“王母祝寿”、“践士会盟”等取材于历史故事和民间传说的木雕，其中为突出的是《三国演义》中曹操大宴铜雀台一组，描绘曹操坐在铜雀台上观看校场各员大将比武的场面，突出刻划了徐晃与许褚在比武后为了锦袍而争夺难解难分的情景。

中进二十扇以历史故事、民间传说为题材的双面镂雕屏风，被誉为“民间艺人运用木头和钢刀雕就的历史故事长廊”。后进大厅的11座8米高的木雕神龛罩，规模宏大，镂刻了数不尽的龙凤、花卉、人物故事等，是广东现存最大型的清代木雕杰作。 陈氏书院的石雕主要是采用麻石石材。多用在抱鼓石、石狮子、月台、台基、墙裙、柱础、劵门、垂带、台阶、栏杆、栏板及檐廊的檐柱、月梁、梁塾、雀替等地方，这些易受阳光和风雨侵蚀的建筑构件都选用了花岗岩石材打造，防潮防霉又坚固耐用。花岗岩石浅灰的色调与砖木结构建筑的深沉主调形成对比，相互反衬，层次分明。

陈氏书院聚贤堂前的月台是岭南石雕装饰工艺的代表，融洽了圆雕、高浮雕、减地浮雕、镂雕和阴刻等多种技法。月台栏杆以各种花鸟、果品为拆棚判题材，雕成。栏杆柱头采用镂空技法，雕有一盘盘菠萝、杨桃、仙桃、佛手等岭南佳果，既富有岭南风情，又寄寓了陈氏子孙终年以果品祭祀天地神灵和祖先的虔诚敬意。

陈氏书院檐廊的外立面以檐柱、月梁、梁塾、雀替、栏杆、栏板等组成，石柱上端镶嵌有圆雕故事人物饰件，题材有“渭水访贤”、“曾子杀猪”、“孔明智收姜维”、“和合二仙”等；梁塾、雀替、栏板均雕有吉祥图案或人物故事。还有大门前的一对石狮（基座已失），石匠运用圆润简练的线条雕琢成形体活泼、神态祥和、笑脸相迎的瑞兽，这是广东地区石狮造型的代表。 陈氏书院建筑中，砖雕是建筑主要装饰工艺之一。外墙、墀头、檐下等均采用砖雕作装饰。陈氏书院正面外墙上的6幅大型砖雕，均由质地细腻的东莞青砖精雕细刻拼接而成，是同期建筑中少有的大型砖雕。其中“梁山聚义”、“刘庆伏狼驹”两幅砖雕均高1.75米，宽3.6米，其余四幅砖雕分别是“百鸟图”、“五伦全图”、“梧桐杏柳凤凰图”、“松雀图”，图的两旁还雕有不同书体的诗文。陈氏书院这种诗书画结合的砖雕也是同期少见的。而外墙檐下及廊门上边饰线条排列整齐，密集苍劲、纤细均匀，垂直如线，雕工精湛，有“挂线砖雕”之称。

陈氏书院主体建筑三进三路的九间厅堂外的墀头上旅改，均饰有砖雕。这些砖雕顶部为缕雕斗拱出头，中为主题纹饰图案，上下傍边是边饰图案，下部为副题图案和落款。其题材内容有吉祥图案、民间传说、历史故事等。如：“喜鹊登梅”、“老鼠啃葡萄”、“金玉满堂”、“龙凤呈祥”、“太师少师”、“竹鹤图”、“杏林春燕”、“瓜瓞绵绵”、“东方朔偷桃”、“麻姑献寿”、“和合二仙”、“天姬送子”、“群英会”、“曹操大宴铜雀台”、“玉皇登殿”、“甘露寺”、“舌战群儒”等。

陈氏书院的砖雕，主要以浮雕为主，局部采用了透雕、圆雕、镂空雕等技法。陈氏书院砖雕出自南海、番禺的黄南山、杨鉴庭、黎壁竹、陈兆南、梁澄、梁进等著名民间艺人之手。艺人按需布设图案纹饰，丰富了单调的墙面，突现了广东砖雕的风格，为陈氏书院这座建筑添色不少，并成清代岭南建筑砖雕艺术的代表。 灰塑是珠江三角洲一带传统建筑中广泛运用的一种建筑装饰艺术，民间艺人以石灰为主要原材料，加上发酵后的稻草或草纸，经反复锤炼，制成草筋灰或纸筋灰，然后根据建筑空间和装饰部位的需要设计图案，在需装饰的部位进行现场制作。一般先以草筋灰堆塑造型，再用纸筋灰细塑表面。待干到一定程度后，最后绘上各种色彩。

陈氏书院灰塑累计总长2562米，总面积约2448平方米，主要用于屋脊基座、山墙垂脊、廊门屋顶、厢房和庭院连廊及东西斋的屋脊上，规模之大为岭南之冠。从陈氏书院灰塑装饰的题材来看，有神话传说、历史故事、戏曲人物，以及由祥禽瑞兽、花卉果木、吉祥文字组成的各种吉祥图案等，还有山水、楼台亭阁等风景图案，多是民间喜闻乐见的题材。 石湾陶塑脊饰，又称“花脊”，用陶泥雕塑后经煅烧而成，是专门装饰于庙宇、祠堂、会馆等大型建筑物上的特殊工艺。这种装饰手法源自明末清初，盛于晚清，主要流行于我国的岭南地区，体现了南粤浓郁的民间建筑装饰风格。

书院的正脊采用佛山陶塑共11条，分别由文如壁、宝玉荣、美玉成、吴奇玉等店造，其数量和规模反映了当时广东陈氏宗族的经济实力。 首进5条和聚贤堂脊饰分别于光绪十七年（1891年）(聚贤堂脊饰 于1976年被台风刮倒,于1981 年重塑)和十九年（1893年）烧制，中、后进的4条脊饰于光绪十八年（1892年）烧制，后进大厅的脊饰则完成于光绪十六年（1890年）。11条脊饰中以聚贤堂的规模最大，其总长27米，高2.9米，连灰塑基座总高达4.26米。全脊共塑224个人物，题材包括八仙贺寿、加官进爵、虬髯客与李靖等。其他脊饰的题材主要是龙凤、花鸟、瑞兽、山水以及历史故事和人物群像等。 铜铁铸和彩绘是陈氏书院建筑装饰工艺中的两种，尽管它们在整个书院建筑的使用为数寥寥，却起到了画龙点睛的作用。

陈氏书院连廊的廊柱和月台围栏的栏板均使用铁铸装饰，这在清代传统建筑中是较为少见的。民间艺人巧妙地将铁铸通花栏板镶嵌在围栏的石雕框架内，利用铁和石之间的色彩对比以及铁铸的通透立体造型，使月台围栏产生出如国画斗方般独特的装饰效果，成为陈氏书院建筑装饰艺术的一大特色。 其中的“麒麟玉书凤凰图”、“金玉满堂”、“三阳开泰”等，由佛山生铁铸造，打制或铸造而成，这些铁铸装饰工艺，吸收了西方的建筑装饰手法，再结合中国的传统文化题材元素，相得益彰。

陈氏书院大门上气势威武的彩绘门神。书院东西厢房绘有多幅壁画，壁画的主要题材有滕王阁图、夜宴桃李，人物有王勃、李白等。书院的楹联主要表达对祖先功绩的颂扬和缅怀，光大先祖文风宏业的理想和愿望。楹联多为楷书，自成一格。