La cabecera ocupa el ábside pentagonal cubierto con bóveda paños reforzada por nervios que apean en pilastras con columnas adosadas; el muro está dotado de gran movimiento debido a la arquería ciega sobre podio que lo recorre, quedando encajada entre las columnas adosadas a las pilastras que apean los nervios de la bóveda; la arquería se muestra muy moldurada y saliente, descansando los arcos de medio punto en ábacos lisos y tallados con motivos vegetales, bajo los que se disponen los correspondientes capiteles y algunos fustes, ya que la mayor parte han desaparecido. Por encima de la arquería discurre un imposta que sirve de base a una segunda arquería, ésta muy plana y sin molduración, quedando tres de sus cinco arcos perforados por los vanos abocinados de medio punto que iluminan la cabecera.

Nave única de planta rectangular y está divida en tres tramos marcados por los arcos fajones que ciñen la bóveda de cañón apuntado que la cubre, apoyando en pilastras con columnas pareadas adosadas.

Los elementos más destacados del alzado son la arquería del ábside que se prolonga por los muros laterales hasta la mitad de la nave de forma similar a otras iglesias de la zona, y dos líneas de impostas que recorren el perímetro, una a media altura y otra marcando el arranque de las bóvedas; en el muro de los pies se dispone un pequeño óculo.

Los capiteles de las columnas muestran una talla de gran calidad, representando escenas de la vida de Cristo, entre las que destaca la escena de la Eucaristía, y una escena de la vida de San Gil que completa la escena del tímpano. Según Abbad Ríos, esta decoración escultórica está muy cercana estilísticamente a las realizaciones de Moissac. Dicha decoración se completa con algunos restos de pinturas conservados en el muro de la epístola.

Al exterior la cabecera y los muros laterales de la nave están recorridos por contrafuertes a modo de bandas, que se corresponden con los fajones y nervios del interior y llegan hasta el alero, el cual apea en canes de piedra tallados con cabezas de animales y antropomorfas.

El aspecto severo y macizo del exterior, se ve aligerado en la zona del ábside por tres vanos en arco de medio punto y con derrame exterior que quedan enmarcados por una arquivolta moldurada que apea en columnillas con capiteles con decoración vegetal y remate avolutado.

En el muro norte se sitúa la portada principal, retranqueada y configurada por dos arquivoltas ligeramente apuntadas y con aristas en bocel que apean en jambas; encajadas en las jambas de la primera arquivolta se dispusieron dos columnas de las cuales hoy únicamente se conserva la de la izquierda, con la figura de un apóstol tallada en el fuste, y con capiteles decorados con cabezas de águilas. Centrando la composición se halla el tímpano esculpido con un relieve que muestra una escena de la vida de San Gil.

El muro oeste, a los pies del templo, muestra un carácter muy macizo, con una sencilla portada en arco de medio punto formado por grandes dovelas, con trasdós moldurado y pequeño crismón moldurado en la clave del arco, actualmente cegado. A media altura del muro se conservan algunas ménsulas que pertenecerían a un antiguo pórtico. En la parte superior del hastial se sitúa un pequeño óculo con derrame externo y sencilla moldura.

A lo largo de los muros de la iglesia de San Gil de Mediavilla aparecen un buen número de marcas de cantero.

Algunos investigadores han señalado la relación de este templo con otros de la zona como Santa María de Uncastillo y San Esteban de Sos del Rey Católico, con los que comparte el elemento de la arquería ciega del interior, si bien San Gil presenta la particularidad de extenderla a la nave.