El edificio, de perfecta simetría, está dividido en dos plantas diferenciadas y superpuestas, con accesos independientes. La estancia central de la planta inferior tiene su acceso desde una puerta lateral en el lado norte y es un espacio de planta rectangular, de escasa altura y cubierto con bóveda de arcos fajones, en cuyos extremos consta de dos cámaras: a la occidental se ingresa desde el exterior mientras que a la cámara oriental se accede desde el interior, descendiendo a través de cinco peldaños a una estancia que se ha relacionado con usos balnearios.

Al piso superior se accede a través de la fachada septentrional mediante una doble escalera que da paso a la sala central a través de un vestíbulo. Se repite la estructura de sala central y estancias en los extremos, en este caso, miradores a oriente y poniente. La fachada sur mantuvo abierto un mirador hasta el siglo XVII.

En su interior destaca el uso de la bóveda de cañón reforzada con arcos fajones y las arquerías ciegas de los muros. Es en este espacio donde se desarrolla un interesante despliegue simbólico reflejado en los relieves escultóricos de los capiteles, bandas y medallones. Un programa escultórico original y unitario en el que se muestran figuras de animales –leones y faisanes–, criaturas fantásticas, personajes con bastones, jinetes afrontados con espadas y las cruces con el Alfa y el Omega. Un intento por interrelacionar el mensaje evangélico de la Fe con el de la Ley y la Justicia. Esta exuberante decoración tiene sus referentes en la orfebrería, la miniatura, la pintura y el arte textil, de clara reminiscencia visigoda y oriental.

El mirador oriental acogía el altar con la inscripción realizada por Ramiro I y su esposa Paterna:

“Cristo, Hijo de Dios, que entraste en el vientre de la Virgen Santa María sin concepción humana y saliste sin corrupción; que mediante tu siervo Ramiro príncipe glorioso con la reina cónyuge Paterna renovaste esta morada consumida por la mucha antigüedad, y por medio de ellos edificaste este ara de bendición a la gloriosa Santa María en este lugar elevado; óyelos desde tu morada de los cielos y perdona sus pecados. Que vives y reinas por los infinitos siglos de los siglos. Amén. Día noveno de las kalendas de julio de la Era 886” (23 de junio de 848). (Traducción: César García de Castro)

La pieza original fue recuperada y recompuesta cuando se desmontó el altar barroco de la iglesia en 1883, de cuyo macizo de mampostería formaba parte y, a iniciativa de la Comisión Provincial de Monumentos, ingresó en el Museo Arqueológico de Asturias.

Hacia el siglo XII, cuando la iglesia de San Miguel de Lillo sufrió ruina, sus funciones parroquiales comenzaron a ser ejercidas por Santa María, figurando como tal en el Inventario de parroquias del obispo Gutierre de Toledo, en el siglo XIV.

Santa Maria de Naranco da nombre a la parroquia que en la actualidad desarrolla sus funciones pastorales en el vecino Monasterio de la Visitación.

En Santa María de Naranco se celebra culto esporádicamente.