La chiesa, che dà su un ampio spiazzo rettangolare con aiuole, è preceduta da una scalinata, terminata nel 1783. La bianca facciata in pietra d'Istria, a salienti, è opera di Camillo Morigia ed è stata terminata nel 1784. Essa è divisa in due fasce sovrapposte da un alto cornicione: la fascia inferiore, di ordine ionico, corrisponde a tutte e tre le navate; quella superiore, di ordine corinzio, corrisponde soltanto alla navata centrale.

La fascia inferiore è scandita in tre settori principali da altri quattro, ciascuno dei quali composto da due semicolonne con, al centro, una nicchia. Entro le nicchie, si trovano delle statue di santi, realizzate dallo scultore veronese Diomiro Cignaroli. Ognuno dei tre settori principali accoglie un portale, con frontone spezzato sorretto da due colonne ioniche, una per lato. Il portale centrale, più grande rispetto agli altri due, è sormontato dalla statua raffigurante la Madonna Greca, del 1689; le colonne che ne sorreggono il frontone sono del V secolo e provengono dalla ormai scomparsa Basilica di San Lorenzo in Caesarea.

Lungo le navate laterali, si aprono sei cappelle per lato; tutte le cappelle laterali sono a pianta rettangolare, con volta a botte e altare barocco in marmo. nella quarta cappella destra, sull'altare, vi è la pala Martirio di San Giacomo Minore, realizzata dal ferrarese Ippolito Scarsella, nella cappella successiva, si trova la pala Martirio di Santa Margherita, di Cesare Corte, affiancato dalle statue in stucco San Pier Damiani e Pietro Peccatore, del XVIII secolo. Nella terza cappella di sinistra, invece, vi è il dipinto di Palma il Giovane Martirio di San Marco e, in quella successiva, un pregevole Crocifisso del XV secolo.

Dietro l'altare, a ridosso della parete semicircolare, si trova il pregevole coro ligneo del XVI secolo, opera di Marino Francese. Composto da 75 stalli, si articola in due ordini sovrapposti, dei quali quello superiore con decorazioni scolpite. Al centro dell'abside, fra due grandi finestre rettangolari, vi è, entro una ricca cornice lignea dorata e intagliata, la pala Annunciazione del riminese Giovanni Laurentini.

Nella chiesa è venerata la Sacra immagine della Madonna Greca, Patrona di Ravenna. Secondo la tradizione, l'immagine giunse a Ravenna miracolosamente da Costantinopoli nell'anno 1100, il giorno della Domenica in albis. Fu rinvenuta sulla spiagga dai monaci di Santa Maria in Porto Fuori. Si tratta di un bassorilievo bizantino scolpito in marmo pario, risalente a un'età anteriore al Concilio di Efeso (431). In virtù di questa datazione è ritenuta la più antica immagine della Vergine realizzata in Oriente.