L'architettura si deve a Guiniforte Solari o al figlio Pietro Antonio, ed è articolata in tre navate con campate a pianta quadrata coperte da volte a crociera ogivali, affiancate da due file di cappelle a terminazione poligonale. Il chiostro presenta colonne con capitelli dell'ordine dorico, del tipo non classico, simili a quelli posti nella facciata del palazzo Landriani e nei fianchi della chiesa di S. Maria presso s. Celso ove è attestata la consulenza dell'Amadeo.

I sostegni delle navate, al posto dei pilastri a fascio della tradizione gotica, sono costituiti da colonne corinzie in granito, unica concessione agli stilemi dell'umanesimo fiorentino e all'architettura di Filippo Brunelleschi mediati attraverso l'influsso del Filarete sul giovane Amadeo.

La facciata, come si presenta attualmente, mostra le caratteristiche tipiche della facciata a capanna, con decorazioni in cotto, caratteristica del rinascimento lombardo. L'aspetto attuale deriva dall'ultimo restauro concluso nel 1912 da Diego Brioschi. È suddivisa da contrafforti in cinque settori, sui quali si aprono oculi e monofore a ogiva. L'unico elemento del periodo barocco a non essere stato asportato durante il restauro è il portale centrale in pietra, risalente all'inizio del XVIII secolo.

San Pietro in Gessate riunisce anche una serie di importanti opere pittoriche del rinascimento lombardo, come alcune cappelle affrescate da Giovanni Donato Montorfano e soprattutto la cappella Grifi, decorata con le spettacolari Storie di Sant'Ambrogio da Bernardino Butinone e Bernardo Zenale dopo che il committente aveva invano contattato il bresciano Vincenzo Foppa.

Per la medesima chiesa Vincenzo Foppa aveva realizzato nei primi anni del XVI secolo una bellissima Deposizione, acquistata poi dal Kaiser Friedrich Museum di Berlino e andata distrutta con la seconda guerra mondiale.

Risale invece al 1514 un bell'affresco strappato di Ambrogio Bergognone con il Funerale di San Martino, che però attualmente versa in precarie condizioni conservative, attualmente nel transetto. Il dipinto ritrae la miracolosa apparizione di Sant'Ambrogio, "assentatosi" mentre diceva messa, al capezzale di san Martino di Tours.