Ces cadrans d'horloge sont montés sur un pavillon lui aussi de style Renaissance, qui a été édifié entre 1527 et 1529, à une époque où Rouen s'est parée de nombreux édifices dans ce style, et qui enjambe la rue. Il remplace l'ancienne porte Massacre, détruite à cet effet.

Le premier étage est en pierre. Au centre de l'arcade surbaissée, on peut voir les armes de la ville représentant l'agneau pascal qui remplace l'ancien léopard normand, mais le fond rouge, couleur de la Normandie, a été conservé. Le dessous de la voûte, richement sculpté, nous montre notamment le Christ en Bon Pasteur et était polychrome à l'origine. Sur la face droite du Gros-Horloge, des anges sont gravés sur la pierre, dont l'un a la tête positionnée à l'envers, signe du mécontentement des ouvriers lors de la construction de l'horloge.

Les étages supérieurs du pavillon sont en colombage plâtré, où l'on discerne les moulures de pilastres caractéristiques du style Renaissance.

L'ensemble a été restauré en 1892, date à laquelle la toiture est surmontée d'une frise en plomb et d'épis de faîtage dus au ferronnier Ferdinand Marrou.