La chiesa, in mattoni nel tipico color rosso forlivese, si presenta con la caratteristica facciata romanica "a capanna", suddivisa in tre parti corrispondenti alle tre navate interne, con la centrale più ampia rispetto alle laterali. La navata centrale è rafforzata da due contrafforti delimitanti la rientranza ad arco che ospita il rosone, la lunetta e il portale marmoreo. I fronti delle navate laterali sono entrambi occupati da un arco, resto delle antiche cappelle sporgenti. La facciata e il campanile presentano una decorazione in mattoni: archetti sorretti da colonnine sul prospetto, risalti verticali e cornicioni orizzontali sul campanile.

L'interno della chiesa ha pianta basilicale a 3 navate divise da pilastri e colonne in laterizio. Poiché il pavimento della navata centrale è sensibilmente inclinato in direzione dell'abside, la navata sembra molto più slanciata di quanto in realtà non sia. Originariamente, davanti all'abside, sorgeva, a circa 5 metri di altezza, il presbiterio, inclinato invece in direzione opposta.

La navata centrale è coperta da un soffitto a capriate, nei secoli più volte rimaneggiato e ricostruito, mentre il prolungamento dell'abside presenta una volta a botte. Nella navata destra è collocata l'acquasantiera che un tempo fungeva da fonte battesimale. Databile al XVI secolo, è costruita in pietra locale e presenta un basamento di forma esagonale.

Sulle pareti di entrambe le navate sono distribuite 23 lunette affrescate, provenienti dal chiostro, dal quale furono trasferite nei lavori della prima metà del Novecento. Le lunette superstiti (originariamente erano trenta, ma sette sono andate perdute) rappresentano le Scene di vita di san Giovanni Gualberto, fondatore dei vallombrosani, e sono attribuite a Livio Modigliani.

Nel presbiterio si trovano alcune pale erratiche, tra cui l'Assunzione della Vergine (1632) di Rutilio Manetti, e il coro ligneo del XVI secolo, opera di Alessandro Begni da Bergamo.

Nella navata sinistra si trova un frammento di un affresco attribuito a Guglielmo degli Organi. Si accede inoltre alle cappelle del Santissimo Sacramento, decorata da numerose opere di spoglio, e alla cappella Ferri, con decorazione marmorea di Jacopo Bianchi (1536) e la Pala dell'Immacolata di Marco Palmezzano.