Le bâtiment que nous connaissons aujourd'hui correspond à un tiers environ de l'édifice original. L'actuel chevet est reconstruit au Bas Moyen Âge, après que l'église se soit partiellement effondrée. Il vient compléter le portique primitif et la nef d'origine.
À l'extérieur, les murs sont parcourus de contreforts, et les embrasures qui les ponctuent sont décorées de jalousies en pierre totalement ouvragées. De ces dentelles en pierre, seuls quatre ensembles sont originaux.
L'intérieur est divisé en trois nefs séparées -pour la première fois- par de hautes colonnes qui remplacent les piliers. Les colonnes reposent sur des bases ornées de symboles rattachés aux évangélistes. Les grands chapiteaux qui soutiennent les arcatures sont décorés de motifs d'origine byzantine et d'Afrique du Nord.
Au pied de la nef, une tribune surmonte l'ancien portique. On y accède par une ouverture ornée de pilastres en marbre et par des escaliers étroits en pierre.
La tribune est percée de quatre petits arcs correspondant à autant de portes. Ils sont décorés de motifs de tradition wisigothique.
L'intérieur de l'édifice est totalement recouvert d'une voûte. Dans la partie de cette voûte qui recouvre la tribune, un compartiment inaccessible, éclairé de l'extérieur par une jalousie circulaire, donne au monument une légèreté remarquable.
Avec Santa María del Naranco, San Miguel de Lillo appartient à ce qu'il est convenu d'appeler l'Art Préroman du Mont Naranco.
