L'edificio romanico della chiesa, costruito verso la metà del XII secolo, è a pianta quadrata ed è concluso all'esterno da un tiburio ottagonale. Nella muratura della facciata verso la strada, a conci squadrati di medolo, sono stati riutilizzati blocchi di età romana, anche con iscrizioni.
L'interno è diviso in due piani, collegati da una scala ricavata nella muratura.
L'ambiente al piano inferiore, notevole per l'equilibrio delle proporzioni, è coperto da quattro volte a crociera rette al centro da un'ara romana, di reimpiego, recante l'iscrizione DEO SOLI / RES PVBL(ICA) (la comunità dedica al Dio Sole). Questo ambiente è dedicato al culto delle reliquie e accoglie alcuni preziosi oggetti sacri, appartenuti al monastero fin dalla sua fondazione costituendone il "tesoro spirituale", come la Lipsanoteca o il grande Fregio con girali di età imperiale.
Al piano superiore del sacello un'aula unica, quadrata e con tre absidiole, è coperta da una cupola emisferica. Al centro dell'aula è esposta la cosiddetta Croce di Desiderio. Le pareti e la volta vennero affrescate a più riprese: affiorano infatti nell'abside centrale tracce di dipinti trecenteschi e sui pilastri laterali sono conservati riquadri del XV secolo. I dipinti attualmente visibili su tre lati vennero eseguiti fra il 1513 e il 1524, secondo un programma iconografico unitario, da Foriano Ferramola e dalla sua bottega, con scene relative alla vita di Cristo, con i simboli degli evangelisti e con le immagini di numerosi santi e sante venerati dall'ordine benedettino o legati al culto delle reliquie custodite (in particolare sulla parte a nord, quattro riquadri sono dedicati alla vita e al martirio di Santa Giulia); l'intradosso della cupola presenta un cielo stellato con al centro l'immagine di Dio Padre.

Ingrandimento

Santa Maria in Solario, Aula al piano superiore