És situada a l’extrem septentrional del recinte del castell, de manera que les façanes nord i est formen part de la muralla defensiva del clos. El temple, datat de la segona meitat del s. XI, ha estat molt modificat, fins i tot ja en època medieval, cosa que li dóna una estructura molt complexa. L’edifici original, al sector nord del conjunt, consta d’una nau coberta amb volta de canó, reforçada per dos arcs torals, l’un al centre i l’altre adossat al mur oest. És coronada, a l’est, per un absis semicircular precedit per un presbiteri situat sobre una petita cripta coberta amb volta i que ocupa l’espai absidial. L’accés a la cripta es fa per una estreta escala frontal, i la seva coberta aixeca notablement el paviment de l’absis, al qual s’accedeix per una escala que no sembla correspondre al sistema d’accés original.
A l’absis s’obren tres finestres, i a l’exterior trobem una decoració de tipus llombard formada per un fris en sèries de cinc arcuacions entre lesenes. A l’interior, es conserven fragments de pintura mural que van ser restaurats el 1990. Els fragments de la part inferior, els més ben conservats, presenten una decoració geomètrica que combina cercles enllaçats que definien una mena de reticulat o teixit, tipus de representació que també es troba en d’altres conjunts del s. XII, com ara Sant Pere del Burgal (Pallars Sobirà) o Sant Quirze de Pedret (Berguedà). Hi ha també una sanefa o greca de motius quadrangulars en espiral, freqüent en els murals romànics. Al damunt de la sanefa resta una part de la figura d’un àngel amb les ales desplegades en sentit horitzontal, amb unes figures circulars sobre seu.
La part corresponent a una ampliació de l’església, realitzada possiblement entre els s. XIV i XV, és una nau rectangular, sense capçalera, coberta amb una volta de canó, de formigó, que encara té les marques de l’encanyissat de la cintra. Al mur sud d’aquesta ampliació s’obre la porta del temple, resolta amb un arc de grans dovelles. Els murs romànics van ser construïts amb carreus petits simplement escairats, i carreus més grossos als angles, amb juntes arrebossades, mentre que la volta de la nau i els seus arcs torals van ser fets amb carreus ben tallats i polits.
A l’interior del temple es conserva una pica baptismal cilíndrica i sense ornamentació. D’altra banda, durant les excavacions es van descobrir diverses tombes excavades a la roca, algunes d’anteriors a la construcció de l’edifici.
L’església no apareix esmentada directament fins l’any 1189. El 1280 ja era reconeguda com a parròquia de Calafell, funció que va mantenir fins el 1806, any en què es va beneir un altre temple fora de les muralles. Entre els anys 1982 i 1984 es van fer excavacions arqueològiques en el castell i l’església, i més tard el conjunt es va restaurar.