Le plan original a pu être identifié lors des fouilles archéologiques et définit un plan basilical à trois nefs, aux arcatures reposant sur des colonnes, un chevet trilobé au mur de façade droit, et un corps d’accès avec un vestibule au-dessus duquel se trouve la tribune royale, depuis laquelle le roi et son cortège assistaient certainement aux offices liturgiques.

Le répertoire sculptural en relief des bases des colonnes est remarquable. Y sont représentés les quatre évangélistes, Marc, Matthieu, Jean et Luc, sous des arcs en forme de corde, lisant ou écrivant, la scénographie évoquant des personnages de l’antiquité classique. Un autre exemple est la jalousie du mur sud, sculptée dans une pièce unique, avec une triple arcature surhaussée, au-dessus de laquelle est disposé un tympan ajouré avec des cercles entrelacés finement travaillés.

Les reliefs des jambages, situés des deux côtés de l’entrée du temple, présentent un intérêt majeur, par la qualité de la sculpture. Par ailleurs, le motif n’est pas de caractère religieux. En effet, il représente des scènes païennes qui font allusion à des jeux du cirque, un exemple exceptionnel de l’architecture religieuse médiévale européenne, qui prend comme modèle les diptyques consulaires romano-byzantins, notamment le diptyque du consul Areobindus (an 506).

Le répertoire pictural constitue un ensemble d’une valeur exceptionnelle, une figure humaine y étant représentée pour la première fois dans l’art asturien : un personnage assis sur un trône et une autre représentation d’un homme jouant d’un instrument de musique, probablement un luth. On y perçoit des influences de modèles sculpturaux du haut Moyen Âge et des manuscrits enluminés.

L’ensemble des peintures murales de l’église a été restauré par l’Institut du patrimoine culturel d’Espagne de 2019 à 2020, dévoilant des motifs géométriques et végétaux sur les cinq voûtes : la nef centrale et les bas-côtés, le portique et la tribune, ainsi qu’une scène religieuse du gothique tardif dans l’abside, où apparaissent des blasons des familles Solís et Álvarez.

Le Musée archéologique des Asturies conserve un grand ensemble de pièces provenant de San Miguel de Lillo, des chapiteaux, des chancels, des jalousies, des bases de colonnes et le tenant d’autel, tandis que le Musée archéologique national renferme un ensemble de chapiteaux, imposte et éléments d’arcs.

Le culte est célébré occasionnellement à San Miguel de Lillo/Liño.