La original iglesia mozárabe ocupaba el espacio dónde encontramos los dos ábsides y los dos primeros arcos, situados en un nivel superior.  En el año 1025 se rehizo el monasterio, ya en estilo románico, y se amplía la iglesia. 

La cabecera está orientada hacia al sudeste y no hacia el este como es habitual. El motivo de esta variación lo debemos buscar en la propia roca dónde está excavado el templo. Tiene dos ábsides, ya que originariamente el monasterio estaba formado por dos comunidades: una masculina y una femenina. En 1024 se fundó el monasterio de Santa Maria de la Santa Cruz de Serós, donde se trasladaron las monjas.

La iglesia se consagró en el año 920 bajo la advocación de San Juan y de los Santos Julián y Basilisa.  En los dos ábsides semicirculares hay excavados unos pequeños habitáculos dónde se veneraban los santos patrones. Estos ábsides fueron decorados con pinturas murales a finales del siglo XII, que representan el martirio de los santos Cosme y Damián.

Debido a la erosión provocada por la humedad de la roca, el estado de conservación es bastante lamentable. A pesar de todo, todavía se conservan algunos fragmentos que nos permiten hacernos una idea de su excepcionalidad. Las trazas y los colores utilizados nos recuerdan al Panteón de los reyes de Santo Isidoro de León. Esto nos hace pensar que el autor o bien es el mismo o bien es algún discípulo suyo.

En el ábside del lado izquierdo es dónde se conservan mejor las pinturas. Es aquí dónde se puede ver la escena del martirio de los santos Cosme y Damián. Sobrevivieron a la hoguera, a la crucifixión y también las piedras y las flechas se volvían contra sus agresores. Finalmente murieron decapitados. En la bóveda están representadas las escenas de los diferentes martirios a que fueron sometidos. Se puede ver con claridad las imágenes de la hoguera y de la crucifixión. En el ábside del lado izquierdo prácticamente no quedan restos que nos puedan dar una idea de lo que había representado. En los arcos triunfales hay pintados motivos geométricos. 

Las naves están separadas por dos arcos que se apoyan en una columna que nos recuerda a las del prerrománico asturiano. Su capitel es muy sencillo.

En un nivel inferior encontramos el resto del templo, que corresponde con la ampliación que se hizo en el siglo XI. En el suelo podemos encontrar algunas tumbas de abades.

Sobre este templo se construyó una nueva iglesia por orden del rey Sancho Ramírez.