La pieve romanica di Cellole è rivolta a oriente, con le aperture poste su questo lato dell'edificio, affinché la luce all'alba possa penetrare all'interno.

La chiesa, di impianto basilicale a pianta rettangolare, ha una lunghezza di circa trenta metri e una larghezza di circa quindici; è composta da una navata centrale e due laterali, con un'abside di tipo semicircolare. Dietro l'abside, da un piccolo uliveto è possibile ammirare, in linea retta, le torri di San Gimignano.

La facciata a capanna è preceduta da un umile boschetto di cipressi, che accompagnano l'ingresso alla chiesa e che furono ripiantati uno per ciascuna delle famiglie della parrocchia in seguito ai restauri del 1879 durante i quali erano stati abbattuti. È questa una testimonianza importante, perché attesta la straordinaria iniziativa di partecipazione all'intervento di restauro da parte dei fedeli.

Tutt'attorno lo sguardo può spaziare dolcemente sulle colline senesi, nella quiete e nel silenzio meditativo. Sulla facciata vi è un portone d'ingresso sormontato da un arco cieco e da una bifora, ai lati due finestre monofore alte e sottili. Decorazioni geometriche e floreali scolpite su archetti, capitelli e mensole del portone e della bifora ornano sobriamente la facciata; una pietra con inciso un motivo floreale e un'iscrizione a sinistra della porta, insieme a due teste in tutto tondo, sono visibili ai lati della bifora. 

L'interno della chiesa, di grande semplicità, armonia e nitore, presenta undici colonne e due pseudocolonne (incassate nella muratura), a sostegno di sette arcate a tutto sesto che, dando all'insieme una luminosa armonia, separano le tre navate e sorreggono la copertura, rifatta molte volte nel tempo, con capriate e orditura in legno e manto in cotto. Il pavimento è in cemento con inerti color cotto.

Sul fondo, dietro il presbiterio, si apre un'abside semicircolare con copertura a volta; al centro dell'abside, sopra il coro, vi è una finestra monofora.

Al centro delle tre navate, in fondo, troviamo l'altare maggiore posto sopra un presbiterio delimitato da due soglie e due gradini in pietra.

Il fonte battesimale è oggi collocato a sinistra della porta d'ingresso ed è costituito da un unico blocco di pietra di forma ottagonale.

Le pareti sono in muratura di pietre a vista (calcari e arenarie), con conci ben squadrati e lavorati e con sobri elementi architettonici; nell'abside vari archetti "sorreggono" la volta. Sui capitelli delle colonne e dei pilastri troviamo scolpiti motivi geometrici, floreali e antropomorfi; nell'abside numerosi fregi riccamente decorati in bassorilievo con motivi geometrici, floreali e zoomorfi che trasmettono un vivace senso pittorico.

Su tre colonne affreschi quattrocenteschi con santi, tra i quali sant'Antonio abate, santa Caterina d'Alessandria e san Benedetto.