La primitiva iglesia mudéjar pertenecía a la tipología de iglesia de una nave sin tribuna. Esta tipología tiene su prototipo en la primera etapa constructiva de San Pablo de Zaragoza, y posee una larga pervivencia. Se estructuran en una nave de dos o tres tramos con crucería sencilla y contrafuertes exteriores, con ábside de cinco o siete lados. Poseen generalmente capillas laterales, una por lado y tramo.

La nave de la iglesia parroquial de Illueca se encuentra dividida en tres tramos, presbiterio y ábside pentagonal, con capillas entre contrafuertes abiertas a la nave, cubierta por bóveda de crucería sencilla de nervios diagonales. Los contrafuertes se hallan rasgados por arcos rebajados permitiendo el paso sobre los tejados de las capillas laterales, algo frecuente en las iglesia mudéjares del siglo XIV aunque careciesen de tribunas.

El tramo de los pies queda flanqueado por dos torres, de las que la meridional, semejante a la existente en la iglesia de San Félix de Torralba de Ribota, presenta planta ligeramente rectangular con escalera de caracol, desde donde se accedía a los tejados de la iglesia. De esta etapa se conserva también un paño de lazos de cuatro octogonal, combinados con cartelas, tanto en la torre como en la nave.

La iglesia se transformó notablemente durante época barroca, invirtiendo la orientación primitiva con el crucero añadido a los pies. De esta época datan las pervivencias mudéjares de las yeserías con decoración de lazo que cubren las superficies de bóvedas e intradoses de los arcos, semejantes a las de Brea de Aragón.