La chiesa di San Pietro sorge sull'omonimo colle già probabile sede dell'acropoli etrusca. Il fronte della chiesa si affaccia su uno spiazzo erboso tra il palazzo dei canonici e le possenti torri di difesa (ne sono rimaste tre, memoria dell'importanza strategica dell'area) mentre l'altissima abside si staglia verso il vicino centro abitato.

La facciata, avanzata nel corpo centrale, presenta quali elementi principali il portale maggiore, il rosone circondato da una moltitudine di elementi decorativi e gli ingressi laterali. Il portale maggiore, incassato nel muro a conci di nenfro, è opera di un marmoraro romano di scuola cosmatesca. È caratterizzato da tre rincassi con colonne lisce, capitelli e rispettivi archivolti, di cui il maggiore con mosaici laterali e bugne decorate da segni zodiacali e figurazioni dei lavori stagionali. La lunetta è decorata da un mosaico a motivi stellari. La porta è incastonata in una cornice in marmo con decorazioni a mosaico.

L'interno della chiesa è diviso in tre navate: quella centrale, in cui spicca un pavimento cosmatesco a decorazioni geometriche che indica gli spazi della prima costruzione, risulta separata dalle altre attraverso un basso muro in cui sono ricavati dei sedili in pietra. Nella navata di destra un ciborio risalente al XIII secolo e l'ingresso principale alla cripta. Nella navata di sinistra l'ingresso secondario alla cripta sovrastato da un nicchione affrescato e diversi sarcofagi etruschi. Il presbiterio rialzato ospita un ciborio (risalente all'XI secolo, vi è una iscrizione del 1093), seggio vescovile (San Pietro fu Cattedrale di Tuscania sino al XV secolo), ambone di epoca romanica costruito utilizzando elementi alto medievali. Il tetto è a capriate lignee.

La maggior parte della decorazione pittorica è andata perduta. Fra l'altro, un affresco di scuola romana, pur con influenze bizantine, rappresentante Cristo Pantocrator circondato da angeli risalente agli anni a cavallo fra XI e XII secolo che dominava la parte absidale è andato distrutto nel terremoto del 1971. Rimangono solo alcuni dei soggetti che lo inquadravano: un Cristo benedicente e anche angeli, apostoli e simboli divini. Nell'absidiola di destra un Cristo benedicente fra due vescovi mentre in quella di sinistra il Battesimo del Cristo. Nella parte sommitale del presbiterio rimane, solo in minima parte, un ciclo di affreschi che fanno riferimento alla vita di San Pietro la cui datazione potrebbe variare fra la fine dell'XI secolo e la metà del XII.

La cripta a sala è ritmata da ventotto colonne (quasi tutte di reimpiego: di provenienza da edifici romani o alto medievali) che sostengono la copertura ripartita in piccole volte a crociera. Anche parte delle murature sono romane (in opus reticolatum). La sua datazione dovrebbe risalire al XII secolo. Sono giunti sino a noi una Madonna in Trono fra Angeli, dipinto dell'absidiola d'altare, e un affresco risalente al XIV secolo che rappresenta i Santi Protettori di Tuscania, Veriano, Secondiano e Marcelliano, attribuito a Gregorio d'Arezzo.