Es un templo orientado al Norte, de nave única, con cabecera poligonal y capillas laterales. Junto a la cabecera, adosada al muro del evangelio, se alza la torre campanario, de planta cuadrada, y a los pies se encuentra la antigua casa abadía del obispo de Barbastro, que constituía su residencia veraniega.

El edificio está construido en piedra a base de sillares regulares y bien escuadrados, excepto en las bóvedas, que son de ladrillo; la calidad del material y la armonía del conjunto nos indican que nos hallamos ante una obra de gran calidad. Es un edificio del siglo XVI, realizado en estilo renacentista con resabios tardogóticos, remodelado en el XVIII en la parte de las capillas laterales; esto último se aprecia fácilmente por el exterior, puesto que las capillas, dos a cada lado, van cubiertas con pequeñas cúpulas-linterna realizadas en ladrillo que destacan respecto del conjunto de la obra. Por encima del nivel de estas cúpulas se advierte, en la parte alta del muro de la nave y bajo el alero, una galería de pequeñas ventanas en arco de medio punto, sin decoración, con la función de airear la cubierta. El aspecto exterior del conjunto es muy macizo, sin apenas vanos de iluminación.

En el muro de la epístola, hacia los pies, se encuentra la portada, muy clasicista. Abre en arco de medio punto, cuyas dovelas van talladas con rosetas y conchas, hasta la línea de impostas; las jambas son lisas. La puerta se enmarca entre dos columnas acanaladas, colocadas sobre plintos, que sostienen un entablamento también decorado con relieves, igual que las enjutas, que están bastante deteriorados. El conjunto va protegido por un breve pórtico también en arco de medio punto, ornamentado con una gran concha o venera a modo de tímpano, que se abre desde el entablamento hasta la rosca del arco. Junto a esta portada se abre otra, más tosca, también de medio punto conformado por grandes dovelas, que corresponde ya a la casa-abadía.

Junto a la cabecera destaca la torre, de tres cuerpos separados por impostas, el superior de los cuales presenta un vano liso, en medio punto, en cada una de sus caras, para las campanas. Sobre este cuerpo, que termina en terraza, se añadió un remate octogonal, de menores dimensiones, que es de piedra en su parte baja y de ladrillo en la parte superior, y que se cubre con chapitel.

Al interior, la nave, de dos tramos, es amplia y va cubierta con una delicada bóveda de crucería estrellada, lo mismo que la cabecera. Los nervios de las bóvedas descansan en una moldura que recorre todo el perímetro de la nave y la cabecera, por encima de las embocaduras de las capillas laterales, que contiene una larga inscripción en latín dedicada a ensalzar al santo titular de la iglesia, San Martín Obispo. La austeridad decorativa de la cabecera contrasta con las embocaduras de las cuatro capillas laterales (dedicadas a San Antonio, la Virgen del Pilar, el Rosario y el Santo Cristo), decoradas con un repertorio barroco en yeso que configura cada capilla como una portada entre pilastras rematada con un frontón curvo. Al interior, las capillas se cubren mediante cúpulas gallonadas, en cada uno de cuyos bajos se abre un vano de iluminación, a modo de lunetos; también las yeserías en relieve componen aquí la decoración, cubriendo especialmente los nervios de las bóvedas y las pechinas.