Son architecture est d’une beauté admirable : le plan basilical s’organise autour de trois nefs séparées par des arcatures en plein cintre, soutenues par des piliers au plan carré, surmontées de chapiteaux (à imposte), et d’un plafond en bois. Le transept, remarquable par ses dimensions et sa hauteur, est baigné de lumière naturelle grâce à la grande embrasure sur le mur méridional, et depuis lequel on accède à deux espaces annexes ou sacristies, sur les façades sud et nord.

Le chevet est agrémenté de trois chapelles voûtées, percées d’embrasures ornées de jalousies, conservant des édicules ou tabernacles adossés au mur de façade. La chapelle centrale est décorée d’arcatures aveugles. Au-dessus de celle-ci, se situe l’espace avec un accès uniquement depuis l’extérieur, à travers une ouverture à trois arcs en plein cintre supportés par des colonnes surmontées de chapiteaux, caractéristiques de l’architecture préromane asturienne, dont la fonction reste incertaine.

Le programme décoratif, tant sculptural que pictural, est exceptionnel, son importance ayant été souligné par la tenue des cérémonies avant le départ pour la guerre du roi et après son retour.

La décoration sculpturale se concentre dans l’espace le plus sacré, sur les arcatures aveugles de la grande chapelle, avec de nombreuses pièces réemployées : chapiteaux, bases, fûts et pilastres, de tradition romaine et visigothe, d’aspect et qualité exceptionnels.

Les peintures à fresque, d’origine clairement classique, montrent un merveilleux répertoire de motifs végétaux, géométriques et architecturaux, ainsi que l’image de la Vraie Croix (ou Sainte Croix), largement représentée sur les murs.

Un programme symbolique complexe qui renvoie à la Jérusalem céleste, inspirée par la vision de l’Apocalypse de saint Jean : « (…) La muraille était construite en jaspe, et la ville était d’or pur, semblable à du verre pur. Les fondements de la muraille de la ville étaient ornés de pierres précieuses de toute espèce: le premier fondement était de jaspe, le second de saphir, le troisième de calcédoine (…) »(Ap. 21, 18-19).

L’état actuel de l’édifice est le fruit des travaux réalisés par le chercheur et philanthrope Fortunato Selgas et l’architecte Vicente Lampérez, dans les années 1912-1915. Grâce à leur intervention, l’église a retrouvé son style architectural originel. Les ajouts baroques et les crépis intérieurs ont été supprimés et ont mis en lumière le répertoire pictural du temple, l’un de plus remarquables du haut Moyen Âge conservés en Europe.

San Julián de los Prados demeure une paroisse à ce jour.