La chiesa, costruita su un'area anticamente adibita a necropoli punica e poi cristiana, fu edificata durante il periodo bizantino a metà del VI secolo: subì un ampliamento longitudinale tra l'IX e il X secolo e si presenta ancora oggi nella sua forma altomedievale che ne fa una delle più antiche della Sardegna.
L'interno è organizzato in tre navate separate da tre archi in successione e coperte da volte a botte; al di sopra una piccola cupola; l'illuminazione è assicurata da una finestra ottagonale in facciata e da tre bifore nell'abside che rimandano a modelli diffusi nella aree lombarde e ravennate.
Alcuni particolari come le cornici romaniche del transetto fanno supporre un intervento dell'XI secolo, periodo in cui è documentata la presenza di popolazioni navarresi a Tharros, presumibilmente fra il 1050 e il 1070, anno del definitivo abbandono di quella città.
Sicuramente nell'XI secolo la chiesa aveva struttura a pianta centrale bizantina a quattro bracci uguali e con la parte centrale sovrastata da una cupola sull'esempio della basilica di San Saturno a Cagliari che fu costruita nello stesso periodo. Solo nel IX-X secolo fu quindi ingrandita con l'aggiunta delle due navate laterali con volte a botte.
Recenti scavi hanno portato alla luce un edificio sacro precedente a quello attuale e con abside orientata sempre ad Est e con sarcofagi e sepolture che indicano che la precedente chiesa dovesse essere adibita a basilica sepolcrale paleocristiana. Da segnalare, all'ingresso sulla destra, una squisita acquasantiera con piedestallo in arenaria e conca in pietra finemente lavorata risalente al XVI secolo, traslata della chiesa di San Giovanni Battista di Nurachi per ordine del parroco Don Cano, che porta sullo sfondo in bassorilievo un pesce, stemma della Villa di Nurachi (Pitzalis, 2003).
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