Villejuif compte un monument classé au titre des monuments historiques, le groupe scolaire Karl Marx, et plusieurs bâtiments inscrits à l’inventaire supplémentaire :

• L’église paroissiale Saint-Cyr-Sainte-Julitte, édifiée pour partie au XIIIe siècle (structure de la nef), reconstruite aux XVe et XVIe siècles. Le bâtiment est inscrit depuis 1928.
• La pyramide de Cassini : il s’agit d’une mire géodésique de 7 mètres de haut construite en pierre de taille en 1742 par le géographe Jacques Cassini. Cette installation est à l’origine des travaux cartographiques de Cassini, elle a servi à mesurer le méridien de Paris, la vitesse du son. Le bâtiment est situé au 157 bis avenue de Paris. Il est inscrit depuis 1928.
• L’Hôtel de la Capitainerie des chasses, hôtel particulier construit en 1762 pour Jacques Alexandre Gautier de Vinfrais, premier lieutenant de la maréchaussée à Villejuif et inspecteur des chasses de la Varenne du Louvre. Le député Thomas de Treil de Pardailhan y résida avant et pendant la Révolution. Le bâtiment est situé au 87-91 rue Jean-Jaurès. Il est inscrit depuis 1996.
• Le groupe scolaire Karl-Marx a été construit de 1931 à 1933 par André Lurçat au milieu des champs, sur demande du maire Paul Vaillant-Couturier. Le bâtiment est un symbole de l’architecture moderne avec l’intégration d’un stade, d’un gymnase et la conception d’un mobilier intégré. Il allie béton armé, verre et métal, selon une tradition inspirée du Bauhaus. Le bâtiment est inscrit depuis 1975 et classé depuis 1996. Il se situe avenue Karl-Marx et accueille désormais un collège (actuellement en cours de  réhabilitation par le Conseil général) et une école maternelle.

Outre les bâtiments identifiés et protégés, Villejuif compte plusieurs bâtiments d’intérêt architectural et/ou historique.

Des équipements sanitaires

• L’hôpital Paul Guiraud.
  Sur les plans initiaux de l’architecte Maréchal, l’édification de la construction s’échelonna de 1882 à 1889. Les premiers malades furent installés en 1884. L’hôpital fut agrandi a quatre reprises en 1899, 1910, 1933 et 1934.
• Le Centre Hospitalier Paul Brousse.
  L’ensemble des constructions a été réalisé en 1913 par l’architecte J. Morize.
• Les bains-douches conçus par l’architecte Adoplhe Legros en 1928.

Des équipements éducatifs

• Le groupe scolaire Pasteur construit et reconstruit à différentes époques en 1910, 1928 et 1937.
• Le groupe scolaire Paul-Vaillant-Couturier

Des équipements administratifs, techniques ou militaires

• La redoute des Hautes-Bruyères : elle fait partie du programme de fortifications réalisées à la hâte en août 1870 pour doubler la ceinture de forts couvrant le sud de la capitale. La réalisation est attribuée à Eugène Viollet-le-Duc. Les casemates en pierre sont réalisées en 1874. Avec le passage de l’autoroute A6, la redoute a été écornée à l’Ouest.
• Les réservoirs de la ville de Paris construits en 1882 (137 avenue de Paris)
• Les châteaux d’eau (1937)