Es una iglesia de nave única con capillas laterales entre los contrafuertes, cabecera poligonal orientada al noreste, y torre a los pies alineada con la fachada donde se ubica una portada ricamente ornamentada.
La iglesia está construida con una técnica poco usual en esta zona, denominada “aparejo toledano”: consta de una estructura de bandas horizontales y verticales de ladrillo que se entrecruzan formando cajones rellenos de mampostería a base de cantos de río, revocados en su mayor parte; los muros se encuentran además reforzados por contrafuertes laterales de ladrillo. La fachada y los cuerpos superiores de la torre son de ladrillo.
En el exterior destaca la fachada, situada a los pies, que ostenta una magnífica portada barroca tallada en piedra arenisca, que testimonia el mecenazgo de una familia importante como los condes de Sobradiel, en ese momento señores del pueblo. Se trata de una puerta en arco de medio punto de frente moldurado sobre jambas de frente cajeado. La flanquean sendas pilastras rematadas por capiteles corintios que sostienen un friso con decoración de ángeles en cuya parte central se dispone un escudo de gran tamaño de los condes de Sobradiel. Sobre el escudo hay una hornacina en arco de medio punto que alberga la estatua de San Gregorio; la hornacina está enmarcada por dos grandes volutas, a ambos lados de las cuales se disponen las esculturas de san Felipe Neri y santa Reina.
El escudo nobiliario, como se ha indicado, corresponde a los condes de Sobradiel, por lo que está cimado con la corona condal, y muestra las armas de la familia Cavero, que ostentaba dicho título. El escudo es terciado y cuartelado los siguientes motivos: león rampante coronado por una estrella, dos águilas coronadas, dos hileras verticales de cuatro flores cada una, y cuatro bandas verticales. En el centro del cuerpo del escudo hay un escusón con las armas correspondientes a la familia Ahones, que había sido absorbida por los Cavero por matrimonio: dos campanas sin badajo rodeadas por el lema “CAMPANAS DE AHONES ÇUMBAREM MES ONES” (es decir “Campanas de Ahones ya no zumbaréis más”).
Al interior, la iglesia consta de una nave dividida en cuatro tramos, en los tres primeros de los cuales se abren capillas, y cabecera poligonal. Esta se halla cubierta por bóveda de lunetos separados por nervios, mientras que la nave presenta también bóveda de cañón con lunetos, todas las cuales arrancan de un sencillo entablamento moldurado. Las capillas laterales se abren a la nave mediante embocaduras en arco de medio punto y son espacios cuadrangulares de escasa profundidad cubiertos igualmente por bóvedas de lunetos.
En el tramo más próximo a los pies se eleva el coro alto, con frente en arco escarzano. Se accede a él a través de una escalera lateral situada en la base de la torre, que lleva también a los pisos superiores de esta.
La torre, de planta cuadrada, consta de cuatro cuerpos, el primero de ellos construido con aparejo toledano de cajones de mampostería similar al del resto de la iglesia y los superiores realizados con ladrillo. El inferior se eleva hasta la altura de la cornisa de la fachada y presenta varias ventanas adinteladas y en arco rebajado realizadas en ladrillo, así como dos vanos gemelos de medio punto que han sido cegados. El segundo, decorado con pilastras, aloja el reloj. El tercero, totalmente liso, presenta en cada uno de sus lienzos en vano de medio punto para campanas, y el superior, de sección octogonal, está rematado por un cierre prismático, también de ladrillo.
Esta iglesia presenta notables diferencias y peculiaridades respecto a los restantes templos barrocos del entorno, tanto por lo que se refiere al aparejo de los muros (ejecutados con una técnica totalmente ajena a esta zona) como a la monumentalidad, magnificencia y calidad artística de la portada, que parecen indicar que fue realizada por maestros foráneos traídos por los condes de Sobradiel.
También con el mecenazgo de los condes debe relacionarse la presencia en esta iglesia de una obra atribuida a Francisco de Goya, artista que en su juventud trabajó para esta familia tanto en su palacio de Zaragoza como en la iglesia de Sobradiel. Se trata de un transparente, que se exponía durante la Semana Santa, realizado al temple sobre tela de lino. Representa a Dios Padre como creador del mundo acompañado de querubines.