La tipica facciata romanica è caratterizzata da mattoni di colore diverso, segno di rifacimenti ed aggiustamenti successivi. Sopra l'ingresso, nella lunetta, è un mosaico raffigurante il santo titolare con la mitria da vescovo e la catena miracolosa. Affianca la chiesa un campanile, di epoca tarda: una targa marmorea ricorda i restauri effettuati nel XVIII secolo.

L'interno della concattedrale è a tre navate a croce latina, separate da colonne, con soffitto a capriate; la navata centrale, più larga di quelle laterali, termina con l'abside.

Nella navata di sinistra si trovano il battistero, la tomba dell'ultimo vescovo residente di Sarsina, la cappella seicentesca della beata Vergine del Rosario, ed infine la cappella del Santissimo Sacramento. Nella navata opposta, vi è la cappella di San Vicinio, il principale luogo di culto della concattedrale: qui vi sono le reliquie del santo e la catena miracolosa.

All'ingresso del presbiterio vi sono tracce della cripta, demolita, e dell'antico pavimento romanico. Artisticamente rilevante è l'ambone del XII secolo, ove sono scolpiti i simboli dei quattro evangelisti. Ai piedi dell'altare maggiore è un bassorilievo marmoreo, databile al X secolo: esso raffigura Cristo in trono con gli arcangeli Michele e Gabriele. Nelle arcate del presbiterio e nell'abside sono poste tele di pittori locali del XVII e XVIII secolo.