Der ursprüngliche Grundriss konnte bei archäologischen Ausgrabungen freigelegt werden, er zeigt eine dreischiffige Basilika mit auf Säulen gestützten Bögen, einer dreiteiligen Apsis mit gerader Stirnwand und einer Eingangshalle mit Vorhalle, über der sich die königliche Tribüne befand, von der aus der König mit seinem Gefolge den Messen beiwohnte.

Bemerkenswert sind die Reliefs an Säulensockeln mit den vier Evangelisten Markus, Lukas, Johannes und Matthäus in Lese- oder Schreibhaltung unter mit Taubändern verzierten Bögen, wobei die szenische Anordnung an Vorbilder aus der klassischen Antike erinnert. Ein weiteres Beispiel ist die aus einem Stück gefertigte Transenna der Südwand mit einem dreifachen Bogen, über dem sich ein durchbrochenes, fein ausgeführtes Tympanon mit verwobenen Kreisen befindet.

Die Reliefs an den Pfosten zu beiden Seiten des Eingangsportals sind nicht nur aufgrund der hochqualitativen Reliefarbeiten außergewöhnlich, sondern auch auch aufgrund des heidnischen Zirkusmotivs – eine absolute Seltenheit in der mittelalterlichen europäischen Sakralarchitektur. Vorbild sind die römisch-byzantinischen Konsulardiptychen, insbesondere das Dyptichon des Konsuls Aerobindo aus dem Jahr 506.

Ebenfalls von außergewöhnlichem Wert sind die Wandmalereien, denn zum ersten Mal in der asturischen Kunst wird ein Mensch dargestellt, eine auf einem Thron sitzende Person und außerdem ein Mann, der ein Musikinstrument – wahrscheinlich eine Laute – spielt. Hier ist der Einfluss frühmittelalterlicher Modelle der Bildhauerei und illuminierter Manuskripte zu erkennen.

Die Wandmalereien in der Kirche wurden vom (spanisches Institut für Kulturerbe in den Jahren 2019 und 2020 restauriert. Hierbei wurden geometrische und pflanzliche Motive in den fünf Gewölben sichtbar gemacht: Mittelschiff und Seitenschiffe, Säulengang und Tribune. Eine spätgotische Szene in der Apsis, in der die Wappen der Familien Solís und Álvarez dargestellt sind, wurde ebenfalls zum Vorschein gebracht.

Eine bedeutende Sammlung von Stücken aus San Miguel de Lillo wird im Archäologischen Museum von Asturien aufbewahrt. Hierzu gehören Kapitelle, Chorschranken, Transennen, Säulensockel und Altarstützen. Im Archäologischen Nationalmuseum in Madrid wird eine Sammlung von Kapitellen, Kämpferesimsen und Bogenelementen ausgestellt.

In San Miguel de Lillo bzw. Liño werden sporadisch Messen gefeiert.