L’edificio si presenta oggi in forme romaniche (tipiche del periodo medievale) ma in origine venne probabilmente eretto in stile bizantino nel VII secolo d.C. La chiesa venne costruita proprio sul luogo ritenuto per tradizione lo stesso dello svolgimento del martirio di sant'Efisio, luogo anche della sepoltura delle sue spoglie e dove esse rimasero, fin che non vennero traslate a Pisa (per essere restituite alla Sardegna solo nel 1886). I resti dell'antico santuario, chiamato martiryum, si trovavano presumibilmente nel piccolo vano cupolato, oggi inglobato nella cripta.

Tutta la struttura si presenta in linee semplici, essenziali, costruita in blocchi di pietra arenaria e calcare, provenienti certamente dagli edifici dal vicino sito di Nora o dal tophet di epoca punica (VI-IV secolo a.C.) che si trovava a pochi metri di distanza. Nel lato meridionale della chiesa è infatti murata una stele funeraria proveniente dal tophet.

Buona parte del paramento murario esterno si presenta con la pietra a vista mentre la facciata è provvista di intonaco. Quest’ultima è orientata a ovest ed è preceduta da un atrio con portico, aggiunto in epoca spagnola tra il 1600 e il 1700. L'interno, a pianta rettangolare, è suddiviso in tre navate con la volta a botte caratterizzate da pilastri che reggono archi a tutto sesto. La piccola abside, orientata ad est è di forma semicircolare.