La struttura dell'edificio, costruito in più fasi, presenta la tipica struttura romanica con pianta basilicale: ha abside semicircolare e tre navate divise da colonne con capitelli dell'epoca, romanici, e di spoglio.

La facciata, incompiuta, è a doppio spiovente con il corpo centrale rialzato. Nella parte inferiore è rivestita di marmo (proveniente dalle vicine cave di San Giuliano) dove, in stile romanico pisano, sono poste cinque arcate cieche sostenute da colonne con oculi e losanghe.

Vi sono tre portali con lunetta: quello centrale, maggiore, è dotato di architrave decorato con bassorilievi marmorei rappresentanti le Gerarchie angeliche, di artista bizantino, mentre nella lunetta sovrastante è posto un Cristo benedicente (copia; l'originale è al Museo di San Matteo) del 1203-1204. Il cristo è in una fissa posa ieraticamente frontale, con un'espressione solenne e serena che non comunica con lo spettatore: tutti elementi tipici della cultura bizantina prima del rinnovamento della scuola federiciana e di Nicola Pisano. L'iscrizione alle spalle del Cristo ricorda il termine della prima ristrutturazione della chiesa. Nelle losanghe sopra i due altri portali sono presenti iscrizioni che esortano al riconoscimento della brevità della vita terrena ed all'abbandono del peccato. Nella parte superiore della facciata, in laterizio, è presente un rosone del XVII secolo

Il tipico campanile a base quadrata è in pietra nella parte inferiore, mentre in quella superiore è in laterizio, suddiviso da archetti pensili e lesene in tre ordini alleggeriti verso l'alto da monofore, bifore, trifore e quadrifore ed è ornato con bacini ceramici islamici del XII secolo (anche questi sostituiti da copie); posto sul lato rivolto all'Arno, pende fortemente verso di esso.

L'interno, molto suggestivo ed anch'esso fortemente pendente, ospita dal 1979 un Crocifisso dipinto in tempera ed oro in foglia su tavola del XIII secolo, proveniente dalla chiesa dei Santi Cosma e Damiano sebbene una tradizione orale la faccia risalire dalla distrutta chiesa di San Giovanni Decollato, entrambe in Pisa. Sulla parte terminale della parete sinistra sono presenti resti di un affresco del XIV secolo rappresentante Sant'Onofrio, Sant'Elena ed un vescovo monaco. Sono presenti anche un'acquasantiera del XVII secolo e l'altare policromo del XVIII secolo.