Extérieur
Santa Maria Assunta est le principal édifice de Torcello. Elle est située près de la rive nord de l'île ; Torcello étant quasiment dépeuplée, l'édifice n'est quasiment pas entouré d'autres bâtiments. L'église Santa Fosca et les restes d'un baptistère dédié à saint Jean sont les seuls édifices situés à proximité.
La façade de l'église, très sobre, possède douze demi-colonnes reliées par des arches à leur sommet. Elle est précédée d'un narthex. Un portail de marbre est situé en son milieu. La galerie du narthex rejoint et entoure l'église voisine de Santa Fosca.
Le campanile de Santa Maria Assunta se dresse à proximité et est un point de repère caractéristique dans le nord de la lagune de Venise.
Intérieur
L'intérieur, à une nef et deux bas-côté, est pavé de marbre. Il repose sur des colonnes en marbre grec à chapiteaux corinthiens. Le chœur est séparé de la nef par une iconostase formé dans sa partie supérieure de fines colonnes de marbre à chapiteaux byzantins et, au-dessous, par des sculptures de paon et de lions et une série de planches de bois peintes avec des scènes sacrées.
Le centre de l'abside héberge l'autel. Il contient les reliques de saint Héliodore. Le mur de l'abside abrite la chaire, surélevée sur une estrade.
L'élément décoratif le plus important de la cathédrale est une série de mosaïques qui couvrent le murs de la contre-façade. Elles sont inspirées de prototypes byzantins, dans l'esprit de l'art roman, et racontent l'apothéose du Christ et le Jugement dernier. Cette mosaïque est divisée en six registres et les épisodes narratifs suivants s'y succèdent : la Descente du Christ aux limbes, l'archange saint Michel qui pèse les âmes tandis que le Diable attend sa proie, la Résurrection des Morts et l'Enfer avec la séparation des damnés chargés de peines variées, selon leurs péchés.
L'abside est décorée d'une peinture décrivant la Vierge et les apôtres.
