En origen, fue una iglesia románica, construida hacia finales del siglo XII o a principios de la centuria siguiente, tiene planta de cruz latina de brazos desiguales que presenta la peculiaridad de haber conservado la cabecera y parte del presbiterio de la anterior iglesia románica. La cabecera, construida con piedra sillar bien escuadrada, está formada por un ábside semicircular cubierto por bóveda de horno o cuarto de esfera, decorado con yeserías, que al exterior posee cinco baquetones o medias columnas adosadas que aligeran el muro y, rítmicamente dispuestas, rompen su monotonía, a la vez que le otorgan un aspecto esbelto al acentuar su verticalidad.
El aumento de la población y del número de fieles y peregrinos hizo que la primitiva iglesia fuese ampliada y transformada, conservando la cabecera románica, entre 1773 y 1832 (según reza la inscripción del frontispicio de la fachada principal), en un templo barroco de planta de cruz latina de nave única con de cinco tramos desiguales, más el espacio correspondiente al atrio, y capillas, muy poco profundas, entre contrafuertes; la nave se cubre con bóvedas de medio cañón con lunetos, reforzadas por arcos fajones, apeados sobre pilastras adosadas a los contrafuertes.
Los brazos del crucero poseen planta cuadrada, pero distintas dimensiones y sistemas de cubrición; así el brazo del lado del Evangelio, que aloja la capilla de la Virgen del Rosario, es más pequeño y se cubre con cúpula sobre pechinas con linterna, mientras el brazo opuesto, que aloja la capilla de Nuestra Señora (o la Virgen) del Río, se divide en dos tramos, cubiertos, el primero por una bóveda vaída, y por una cúpula sobre pechinas, el segundo; la capilla está decorada por pinturas murales de muy buena factura, realizadas en 1821, y posee sacristía propia, ubicada a la izquierda del primer tramo de la capilla. La advocación de esta capilla a Nuestra Señora o la Virgen del Río responde al hecho de ser la patrona de esta localidad bilbilitana y a, según nos cuenta la tradición, las varias ocasiones en que la Virgen se apareció a San Millán, a orillas del río Manubles, con la intención de darle la fortaleza necesaria al santo para que continuase con su misión.
Entre el ángulo formado por el ábside y el lado este de la capilla de la Virgen del Río, se sitúa la sacristía de la parroquial, que presenta planta cuadrada. La parroquial también posee un pequeño baptisterio, instalado el último tramo de la nave, a los pies: este reducido espacio, de planta cuadrada, presenta la misma anchura del muro.
Al exterior, sencillo y sobrio, observamos el original juego de volúmenes de este templo; así sobresalen el volumen semicircular del ábside románico, el rectangular de la nave, flanqueada por los volúmenes prismáticos de los brazos del crucero, y el más esbelto de la torre campanario.
La torre campanario se construyó adosada al muro de la epístola, junto a la pared oeste de la sacristía de la Capilla de la Virgen del Río, el acceso se realiza a través de unas escaleras que arrancan del pasillo existente a la derecha del atrio. De planta cuadrada y construida totalmente en ladrillo, presenta dos cuerpos en altura: el cuerpo bajo, de mayores dimensiones, muestra escasa presencia de vanos; se separa del siguiente a través de una líneas de imposta y un pequeño fragmento de muro liso, que finaliza en una nueva imposta. El siguiente piso aloja las campanas y presenta vanos en arco de medio punto. La torre se remata por una cúpula de ladrillo, que simula ser un capitel bulboso.