L'original església mossàrab ocupava l'espai on trobem els dos absis i els dos primers arcs, situats en un nivell superior.  L'any 1025 es va refer el monestir, ja en estil romànic, i s'amplia l'església. 

La capçalera està orientada cap al sud-est i no cap a l'est com és habitual. El motiu d'aquesta variació l'hem de buscar en la pròpia roca on està excavat el temple. Té dos absis, ja que originàriament el monestir estava format per dues comunitats: una masculina i una femenina. En 1024 es va fundar el monestir de Santa Maria de la Santa Cruz de Serós, on es van traslladar les monges.

L'església es va consagrar l'any 920 sota l'advocació de Sant Joan i dels Sants Julià i Basilisa.  En els dos absis semicirculars hi ha excavats uns petits habitacles on es veneraven els sants patrons. Aquests absis van ser decorats amb pintures murals a finals del segle XII. Aquestes representen el martiri dels sants Cosme i Damià.

Degut a l'erosió provocada per la humitat de la roca, l'estat de conservació és bastant lamentable. Malgrat tot encara es conserven alguns fragments que ens permeten fer-nos una idea de la seva excepcionalitat. Les traces i el colors utilitzats ens recorden al Panteó dels reis de Sant Isidor de Lleó. Això ens fa pensar que l'autor o bé és el mateix o bé és algun deixeble seu.

En l'absis del costat esquerre és on es conserven millor. És aquí on es pot veure l'escena del martiri dels sants Cosme i Damià. Van sobreviure a la foguera, a la crucifixió i també les pedres i les fletxes es tornaven contra els seus agressors. Finalment van morir decapitats. En la volta estan representades les escenes dels diferents martiris a que van ser sotmesos. Es pot veure amb claredat la imatge de la foguera i de la crucifixió. En l'absis del costat esquerre pràcticament no queden restes que ens puguin donar una idea del que hi havia representat. En els arcs triomfals hi ha pintats motius geomètrics. 

Les naus estan separades per dos arcs que es recolzen en una columna que ens recorda a les del pre-romànic asturià. El seu capitell és molt senzill.

En un nivell inferior trobem la resta del temple, que correspon amb l'ampliació que es va fer en el segle XI. En el paviment podem trobar algunes tombes d'abats.

Sobre aquest temple es va construir una de nova església per ordre del rei Sancho Ramírez.