Se trata de una iglesia de nave única divida en cinco tramos y cabecera compuesta de ábside semicircular precedido de un amplio tramo recto. Este templo constituye un buen ejemplo de iglesia rural que, a pesar de la superposición de estilos, conserva cierta armonía general. La primera campaña constructiva data de alrededor de 1200, cuando se hacen la cabecera y los muros de la nave. En el centro del ábside se abre una ventana abocinada y un segundo vano de similares características en el muro meridional del presbiterio, pero fue cegado al construirse la sacristía gótica.
En el interior, el paso de la cabecera hacia la nave se hace a través de un arco de triunfo apuntado que reposa en parejas de columnas adosadas coronadas por capiteles que muestran la vacilación entre el románico y el gótico, con un repertorio de piñas, acantos esquemáticos, flores de lis y flores de seis pétalos, sogueados, un Cristo crucificado, cestas con máscaras humanas y hojas lisas.
Destacar también dos piezas del mobiliario litúrgico: la mesa de altar protogótica decorada por una cenefa con animales fantásticos; y la pila bautismal, que alberga una de las capillas abiertas en el muro norte de la nave.
En el exterior la portada sur presenta arco de medio punto y cuatro arquicoltas decoradas con medias cañas y boceles, recogidas por cuatro parejas de columnas acodilladas con capiteles vegetales esquemáticos. Sobre la portada destaca un friso decorativo tardogótico en el que se representa un apostalado y un Tetramorfos. Del mismo taller son las dos representaciones de obispos sobre peanas con ángeles músicos que se sitúan en las enjutas de la portada
En la rica serie de canecillos de la cornisa se combinan los románicos, principalmente en el ábside, presbiterio y muro norte de la nave. Algunos son figurados, aves o leones, acróbata, músicos, personajes con libros o vegetales de piñas o acantos. Otros, simplemente geométricos o lisos.
En la sacristía se conserva un retablo pétreo con el tema de la misa de San Gregorio. La parte superior del relieve muestra los instrumentos de la Pasión: el beso de Judas, columna y látigos de la flagelación, gallo de la negación de Pedro, túnica, dados, corona de espinas, clavos, martillo, escalera y lanza. Según Julia Ara, el retablo fue encargado por el señor de Castrejón, Pedro Fernández de Velasco y por su esposa Mencía de Mendoza, cuya familia contribuyó a la reedificación de la iglesia de la Santa Cruz de Roma, marco del milagro de San Gregorio.
