S’aixeca sobre les restes de diverses construccions anteriors: un temple d’una sola nau amb paviment de mosaic datat cap a l’any 450, un altre de tres naus del segle VI i un tercer del qual es conserva el mur nord, encara visible.
L’edifici, tal com el podem veure, té planta de creu llatina definida per una nau rectangular, un absis, quadrat exteriorment i d’arc de ferradura a l’interior, i un transsepte. Sobre el creuer s’aixeca un cimbori octogonal i, sobre aquest, un campanar de torre i planta quadrada, coronat per una teulada de quatre vessants. Al mur sud hi ha un porxo obert per quatre arcs de mig punt.
La nau és coberta per una volta apuntada, i al cor, situat sobre la porta d’entrada, amb una volta d’arc carpanell. El transsepte té una volta de mig punt. El creuer queda definit per quatre arcs torals que marquen una planta quadrada; a través d’unes petxines situades als angles dóna pas a la volta esfèrica que cobreix el cimbori.
A l’absis s’obren tres finestres d’una sola esqueixada, i al mur oest, sobre la porta d’entrada, n’hi ha una altra en forma de creu i una de rectangular que és moderna. Al transsepte nord hi ha dues finestres d’esqueixada simple i arc semicircular, com una altra que s’obre al transsepte sud i dues més que s’obren al cimbori.
Al sector est del transsepte es poden apreciar restes d’un mur amb aparell de maçoneria que correspon a una construcció anterior a l’absis. Els dos arcs que es veuen podrien ser algun pas que connectava l’església amb la canongia.
La decoració amb bandes llombardes i arcs cecs, pròpia del romànic llombard del segle XI, es pot veure al cimbori octogonal, al mur nord de la nau i a la façana oest. És en aquest mur on es troba la porta d’entrada, d’arc de mig punt amb peces de terracota i un carreu romà amb relleu reaprofitats. Hi ha una altra porta d’entrada al mur oest del transsepte nord; és d’arc de mig punt i es comunica amb l’interior per un tram d’escales. El transsepte sud també té una porta d’entrada al mur oest, d’arc de mig punt, que comunica amb el porxo sud.
L’aparell és de carreus quadrangulars petits, intercalats de tant en tant per filades de maó pla. La part inferior dels murs és construïda amb un aparell més irregular; s’alternen pedres i còdols escapçats amb algun carreu.
Pel que fa a una datació cronològica del conjunt, s’ha de parlar de diverses etapes constructives. Així, a una primera etapa correspondria el parament de maçoneria que uneix el transsepte nord amb el parament de l’absis posterior. L’absis quadrat correspon a una segona etapa que es pot situar al final del segle IX o l’inici del segle X i que coincideix amb la part antiga de Sant Miquel i l’absis de Sant Pere. En una tercera etapa es van construir la nau, el cimbori, el campanar i el transsepte, concretament a la darreria del s. XI i amb alguns elements del segle XII. Tanmateix, el braç sud i el nord del transsepte demostren certes reparacions tardanes.
Els mosaics de paviment Els anys 1918-1920, durant les excavacions a l’església, es van trobar les restes d’una basílica del segle V amb un paviment de mosaic de decoració geomètrica. Aquest mosaic és emplaçat davant mateix de l’església i passa per sota dels murs romànics. Els colors que s’hi han combinat són el blanc, el negre, el vermell i el groc ataronjat. Els plafons presenten figures d’escacs, creus que alternen amb quadrats, florons de sis pètals o combinacions de quadrats amb hexàgons.
A l’interior de l’església, arran del mur sud, hi ha un altre mosaic de paviment que envolta tres plaques de marbre que formen un conjunt funerari; a la part alta es pot llegir una inscripció dedicada a una persona anomenada probablement Cecilianus Securus.
L’any 1947, durant una altra campanya d’excavacions a l’església, es va descobrir un mosaic de paviment, datable probablement del segle IV o V, sobre un dels murs de la nau de l’església. Presenta sanefes compostes per quadrats i triangles de mida més o menys gran combinats amb altres figures geomètriques. Entre les sanefes, que són alternativament blanques i blaves, hi sobresurt la figura d’un paó vermell, negre, blau i verd, amb el bec verd, la cua groga i blanca i les potes negres; al seu costat es veu la part superior d’una gerra. Per la zona d’enterraments on es va trobar i pel tema representat, es pot afirmar que es tracta d’un mosaic funerari.
Les pintures murals A l’interior de l’església podem veure dos conjunts de pintura mural que cal considerar. El primer correspon als segles X-XI, i el segon, als segles XII-XIII.
El conjunt més antic decora l’absis central i la cúpula, i es va descobrir l’any 1937 quan s’arrencava un altre conjunt de pintures d’època gòtica. Es conserva força malmès i a la part baixa del mur s’ha perdut bona part de la decoració. La composició és a base de grups de personatges disposats al llarg de registres concèntrics, centrats, a la part superior, per un motiu circular. Els registres perden altura a mesura que es troben més a baix, i per tant les figures són més petites als registres inferiors que als superiors. El motiu central es compon d’una figura estrellada inscrita dins un octògon, envoltada per bandes geomètriques i vegetals a base de palmetes o plomes de paó. Figures similars són representades en altres conjunts paleocristians, com ara el mausoleu de Centcelles (Tarragonès) o Sant Jordi de Salònica.
Al registre immediatament inferior trobem un seguit de personatges vestits amb túnica curta de mànigues amples, calces, toga i sense sabates, separats a vegades per cortines o elements vegetals. Les escenes que desenvolupen semblen fer al·lusió a diferents passatges de la vida i passió de Jesucrist, com ara Jesús predicant, el miracle de la curació d’un cec o de la resurrecció de Llàtzer, el baptisme, l’empresonament de Jesús, Jesús davant de Pilat o Caifàs, i una crucifixió.
El registre següent es conserva en més mal estat i moltes de les escenes s’han perdut. Tan sols s’hi poden reconèixer diverses figures de sants, ja que porten nimbe, segurament relacionades amb escenes de la passió de Crist que continuen la línia anterior.
Els altres dos registres han perdut gairebé totes les escenes i tan sols s’hi poden reconèixer algunes figures en un dels extrems.
També es poden veure restes de decoració pictòrica a la finestra central de l’absis, ocupant gairebé tota l’esqueixada. Es tracta d’una ornamentació a base de bandes de colors, un motiu d’espiga vegetal i dues columnes de cercles amb figures d’estrelles o flors al seu interior. La finestra dreta de l’absis també conserva restes de decoració, però d’estil gòtic.
Aquest conjunt de pintures es considera com un dels més importants d’estil preromànic, juntament amb els de Sant Miquel i Sant Pere de Terrassa, i representa el nexe d’unió entre el món tardoromà i el romànic.
El conjunt romànic decora una absidiola oberta al braç sud del transsepte. Va ser descobert el 1917, ja que des del segle XVII havia estat amagat per un retaule barroc que hi havia al davant.
Narra el martiri de sant Tomàs Becket a mans d’homes armats, probablement fidels al rei Enric II d’Anglaterra. Aquest esdeveniment va succeir el 29 de desembre de 1170 a la catedral de Canterbury, d’on Tomàs Becket era arquebisbe. L’any 1173 el màrtir fou canonitzat pel papa Alexandre III i se’n va difondre el culte. De fet, consta que l’any 1186 hi havia un altar dedicat al sant a la catedral de Barcelona.
La decoració s’organitza en tres registres: l’inferior amb motius ornamentals, el central amb les escenes del martiri del sant, i el superior amb la figura de Crist. Aquest, representat amb barba i cabells vermells i disposat com a majestat amb actitud de beneir, és envoltat per una màndorla mística definida per una franja cromàtica amb elements vegetals i amb un fons estrellat. Duu mantell vermell i túnica verda, i seu sobre un banc revestit amb un coixí de tipus bizantí; reposa els peus sobre un coixí del mateix estil. Al seu costat hi ha dos personatges drets, els quals beneeix. Sembla que es tracta de sant Tomàs Becket, a la dreta, i del diaca Edward Grim, a l’esquerra. El primer vesteix una casulla de color verd clar, pal·li blanc amb creus negres, túnica grisa i alba; duu barba i cabells vermells. El segon és imberbe i també té els cabells vermells; porta una túnica negra i vermella, a més d’alba amb plecs de color negre. Al seu costat hi ha representats set canelobres que es relacionen amb les set esglésies de la visió de sant Joan a l’Apocalipsi, o també amb les set llànties que representen els set esperits de Déu.
Al registre central hi ha tres escenes relacionades amb el martiri del sant. La primera, a l’esquerra, mostra l’acusació i l’escarniment de l’arquebisbe per part dels seus enemics. La segona, que es conserva fragmentària, és l’assassinat de sant Tomàs Becket. En la tercera hi ha dos personatges que col·loquen el sant al sepulcre, mentre que la seva ànima puja al cel portada per dos àngels.
El registre inferior, de contingut purament ornamental, consisteix en un seguit de cortinatges que pengen d’una barra. La separació entre cadascun dels registres també és purament ornamental, realitzada amb la combinació d’elements geomètrics que formen bandes o sanefes.
Partint de la data del 1173, en què Tomàs Becket fou canonitzat, s’han datat les pintures entre els darrers anys del segle XII i els primers del segle XIII.
A l’altar major de l’església hi ha una ara d’altar realitzada en marbre blanc, de forma rectangular i amb un doble emmarcament format per una motllura de mitja canya. La seva superfície és plena d’inscripcions amb noms de personatges, com ara BERNVS o BERNARDUS PRESBYTER. És una peça romana que probablement fou transformada en ara d’altar cap al segle V o VI i a la qual s’incorporaren inscripcions dels segles VIII al X.
Al segle XVII, en ser desmuntats l’ara de marbre i el seu suport, es va trobar a l’interior una lipsanoteca amb relíquies. Era un recipient de vidre d’estructura cilíndrica amb tapa cònica i una nansa.