Se trata de un complejo edificio, cuyo aspecto actual es fruto de varias ampliaciones y reformas en distintas épocas. Hoy es una iglesia de planta de cruz latina, con cabecera poligonal orientada al este y torre construida sobre una capilla lateral, a la altura del penúltimo tramo del lado norte. En síntesis, se trata de un templo románico, posiblemente de menor longitud que el actual, que fue recrecido en altura en el siglo XVI y ampliado en el XVIII por la zona del ábside, con la construcción del crucero y la nueva cabecera; también a finales de ese siglo se añadiría la torre actual, que pudo terminarse incluso a principios del XIX.

Esta historia constructiva se ve reflejada en los materiales de construcción: sillares de distinto módulo y factura en el cuerpo de naves románico, la cabecera barroca y la torre, y ladrillo en los paramentos de la parte alta de la nave (recrecimiento del siglo XVI) y el cimborrio barroco. Está cubierta con teja, sobre un alero escalonado de ladrillo aplantillado en el cuerpo de la nave y de ladrillo dispuesto en esquinilla en el hastial y el cimborrio.

Su exterior es muy sobrio y se encuentra animado sobre todo por la rotunda plasticidad de la torre y por el juego de volúmenes de la cabecera y del crucero, rematado por cimborrio octogonal con un vano en arco rebajado en cada uno de sus lienzos. Cabe destacar, además, la galería de arquillos de medio punto que recorre la parte superior de la fachada, correspondiente al recrecimiento del siglo XVI, bajo la cual se conserva una hilera de canetes de piedra, que señalan la ubicación de la antigua cubierta románica. Por último, también deben mencionarse en el hastial los restos de una espadaña de dos ojos cegados, que correspondería a la obra medieval original.

La portada está situada en el lado sur, a la altura del penúltimo tramo de la nave. Está compuesta por cinco arquivoltas en arco de medio punto, cuyos frentes son alternativamente planos y moldurados con un grueso bocel; estas últimas arquivoltas apoyan en capiteles de ornamentación geométrica muy esquemática dispuestos sobre columnas. Sobre ella hay crismón románico, con el monograma de Cristo flanqueado por las letras alfa y omega.

Al interior consta de una nave, dividida en cuatro tramos desiguales por arcos fajones apuntados, crucero y cabecera.

La cabecera está cubierta mediante bóveda gallonada. El crucero lo hace con cúpula elíptica sobre pechinas, con vanos en arco rebajado, mientras que sus brazos presentan  sendas bóvedas de cañón con lunetos. Toda esta zona corresponde a la ampliación barroca del siglo XVIII y está recorrida a la altura del arranque de las cubiertas por un doble entablamento moldurado que unifica el espacio.

La nave está cubierta mediante bóveda de cañón apuntado de carácter tardorrománico, dividida en cuatro tramos desiguales (el primero tiene el doble de anchura que los restantes) por tres arcos fajones que apean en ménsulas voladas. Destacan también en los muros de la nave sendas hileras de arcosolios en arco apuntado (dos en el lateral norte y tres en el sur).

En el curso de las obras de restauración aparecieron en la bóveda del primer tramo de la nave una serie de escenas pintadas al fresco. Se trata de pinturas medievales que, a falta de un estudio en profundidad, pueden relacionarse con el estilo gótico lineal, muy abundante en la comarca de la Hoya de Huesca (San Miguel de Foces, San Miguel de Barluenga, parroquial de Arbaniés…). El conjunto pictórico se estructura en bandas horizontales, separadas por franjas con esquemática decoración floral y geométrica, que presentan diversas escenas de difícil interpretación por el momento:

-      Lado norte, escena superior: cinco personajes, con nimbos y coronas, alineados.

-      Lado norte, escena inferior: fragmento de ángel en actitud de bendecir.

-      Lado sur, bandas superiores: diversos personajes que componen escenas poco identificables; entre ellos destaca una figura femenina, tocada, arrodillada.

-      Lado sur, banda inferior: soldados agrupados, custodiando a un personaje sin identificar.

En el penúltimo tramo de la nave, por el lado del Evangelio, se abre una capilla tardogótica que es contemporánea de la reforma del siglo XVI. Con embocadura en arco de medio punto, es un espacio de planta cuadrangular, cubierto mediante bóveda de crucería estrellada con terceletes. Sobre esta capilla está situada la torre campanario.

Tiene coro alto a los pies, sobre cubierta plana.

Sobre la bóveda de la nave se encuentra la que probablemente fuera la cubierta original románica, de losa y dispuesta a dos aguas. Por encima de ella se encuentra la cubierta actual, correspondiente al recrecimiento efectuado en el siglo XVI, dispuesta sobre los muros laterales donde se abren las ya mencionadas galerías de arquillos.

La torre, cuya construcción supuso la última reforma importante de esta iglesia, está en el lado norte, a la altura del penúltimo tramo, elevada sobre la capilla del siglo XVI. Tiene una tipología idéntica a las torres de las iglesias de Quinzano (realizada por el maestro de Lupiñén Alejandro Serrate en 1783) y Sarsamarcuello, y a la torre del Reloj de Ayerbe (obra de Tomás Gállego, construida en 1798-1799). En cuanto a su factura, quizás la más próxima entre estas sea la de Quinzano, si bien la torre de Ortilla presenta unas proporciones más elevadas y esbeltas.

Tiene dos cuerpos, separados por una imposta moldurada. El inferior es de planta cuadrada. El superior, de menor tamaño, es también cuadrado, con los ángulos achaflanados y un relieve oval en cada chaflán; cada lienzo está enmarcado por pilastras lisas con capiteles de guirnaldas y presenta una ventana para campanas en arco de medio punto. El chapitel tiene también planta cuadrangular, está enmarcado en cada lienzo por un resalte y presenta óculos. La cubierta es piramidal.

En una fotografía realizada por Ricardo del Arco hacia 1920 puede verse que la iglesia de Ortilla se encontraba rodeada por un sólido recinto murado de unos 2,5 m de altura. Se trataba de un muro de grandes sillares regulares, en el que se abrían numerosas aspilleras de carácter defensivo y en cuyo lienzo oeste parecen advertirse también restos de almenas. Aproximadamente frente a la portada de la iglesia, el recinto se abría en un monumental portón de sillería, coronado por decoración de piramidiones.