San Michele Maggiore peut être perçue comme le prototype d'autres églises médiévales de Pavie, comme San Pietro in Ciel d'Oro et San Teodoro. Cependant, elle s'en différencie par l'usage de grès plutôt que de briques, et un plan en forme de croix latine avec une nef et deux bas-côtés. Le transept, qui possède une véritable façade propre, une fausse abside et une voûte en berceau distincte du reste de l'église, constitue une partie presque indépendante de l'édifice. Il est également très long (38 m, par rapport aux 55 m de la basilique).
À l'intersection de la nef et du transept s'élève le dôme octogonal, une structure asymétrique de 30 m de haut supportée par des pendentifs dans le style roman-lombard. La façade est décorée de nombreuse sculptures de grès, à thèmes religieux ou profanes ; elles sont cependant très endommagées. La façade possède également cinq fenêtres à meneau doubles, deux fenêtres simples et une croix, reconstructions du XIX siècle de ce qu'on estime être le plan original. Sur les bas-reliefs en bandes horizontales figurent des personnages humains, animaux naturels et fantastiques. Au-dessus des portails mineurs sont représentés saint Ennode, évêque de Pavie, et saint Eleucade, archevêque de Ravenne. Dans les lunettes se trouvent des anges qui, selon une inscription gravée, ont le rôle d'ambassadeur des paroles des croyants auprès du ciel.
La nef possède quatre arches. Les bas-côtés possèdent des matronei. Les quatre chapelles, correspondant aux deuxième et quatrième arches, sont une addition ultérieure. Sous l'abside, décorée d'une fresque du XVI siècle, est placé le maître-autel datant de 1383 et recueillant les restes de saint Ennode et de saint Eleucade. Le chœur comporte des fragments d'une mosaïque représentant les Labeurs des mois et des thèmes mythologiques.
La crypte, possédant une nef et deux bas-côtés, est située sous l'autel.