L'edificio, consacrato nel 1530, è un esempio di architettura sobria ed essenziale. La facciata è lineare e priva di elementi di decorazione.
Costruita con mattoni di dimensioni irregolari e variabili tra i quali sono visibili antiche pietre incise e lapidi con delle iscrizioni frammentarie: tra queste, nell'angolo sinistro della facciata si trova un blocco di pietra squadrato con iscrizione in caratteri tardo-gotici mentre in alto, sopra il portale di ingresso, sono collocati alcuni bacili in maiolica disposti a forma di croce. L'abside, con l' esposizione verso il mare, si presenta con l'aspetto di fortificazione, utile per la difesa dalle incursioni nemiche. La sua merlatura è percorsa esternamente da due contrafforti. Accanto all'abside vi è il campanile mozzato che, secondo una leggenda, fu ridotto in queste condizioni perché vi alloggiò durante il suo viaggio per Roma il monaco agostiniano Martin Lutero.
Tempio a unica navata con pianta longitudinale coperta da un tetto a capanna e capriate di legno. Dei dieci altari del XVII sec. ne sono visibili solo tre. Nella parte di destra vi è un affresco parzialmente nascosto raffigurante una Madonna della Misericordia, forse un ex-voto per uno scampato pericolo dai pirati nel 1525. Presente anche l'altare del 1741 ornato dalla "Pala Palmaroli" di Filippo Ricci (1715-1793). L'altare maggiore invece è di fattura architettonica lignea barocca con due dipinti, una Pietà con San Nicola di Bari e una raffigurante le Anime del Purgatorio. Nell'abside posteriore viene ospitato un coro ligneo. Notevolissima è la Via Crucis del grande artista grottammarese Pericle Fazzini(1913-1987).
All'edificio è incorporato anche un convento a pianta quadrata che si sviluppa intorno al chiostro centrale.