La planta original ha podido ser reconocida a partir de las excavaciones arqueológicas y define una planta basilical de tres naves, con arquerías apoyadas sobre columnas, cabecera tripartita con testero recto, y cuerpo de acceso con vestíbulo sobre el que se dispuso la tribuna regia, desde la que el Rey y su séquito asistirían a los oficios litúrgicos.

Es destacable el repertorio escultórico en relieve de las basas de las columnas, con la representación de los Cuatro Evangelistas –Marcos, Lucas, Juan y Mateo–, bajo arcos sogueados, en actitud de lectura o escribiendo, cuya escenografía evoca modelos de la antigüedad clásica. Otro ejemplo es la celosía del muro sur, tallada en una única pieza, con triple arquería peraltada sobre la que se dispone un tímpano calado con círculos entrelazados ejecutados con delicada maestría.

Tienen extraordinario interés los relieves de las jambas situadas a ambos lados de la entrada del templo, no solo por la calidad de la talla sino porque el motivo que se representa no es de temática religiosa sino de escenas paganas alusivas a los juegos circenses, ejemplo excepcional en la arquitectura religiosa medieval europea, que toma como modelo los dípticos consulares romano-bizantinos, en concreto en el del cónsul Aerobindo (año 506).

El repertorio pictórico constituye un conjunto de excepcional valor en el que por vez primera en el arte asturiano se representa la figura humana: un personaje sentado en un trono y otra representación de un hombre tañendo un instrumento musical, probablemente un laúd, en las que se perciben influencias tanto de modelos escultóricos altomedievales, como de manuscritos iluminados.

El conjunto de las pinturas murales de la iglesia fue restaurado por el Instituto de Patrimonio Cultural de España entre 2019 y 2020 y ha recuperado motivos geométricos y vegetales en las cinco bóvedas: nave central y laterales, pórtico y tribuna, así como una escena religiosa tardogótica en el ábside, donde aparecen representados los escudos de las familias Solís y Álvarez.

En el Museo Arqueológico de Asturias se conserva un importante conjunto de piezas procedentes de San Miguel de Lillo: capiteles, canceles, celosías, bases de columnas y tenante de altar, y en el Museo Arqueológico Nacional un conjunto de capiteles, imposta y elementos de arcos.

En San Miguel de Lillo/Liño se celebra culto esporádicamente.