La iglesia tiene su origen en el siglo X, construida en sillería de granito y pizarra, presenta tres naves articuladas en cuatro tramos, la central más ancha y cabecera triple de ábsides semicirculares. Posee tres accesos de época románica: uno en el hastial occidental y dos en la nave de la epístola.
La nave central se cubre con una bóveda de cañón levemente apuntado mientras que las laterales lo hacen con algunos tramos de bóvedas de arista central y otros con bóvedas de crucería simple. El brazo norte del crucero se decora con una arquería ciega.
La portada occidental es renacentista y está rematada con una espadaña del siglo XVIII. La portada oriental, que comunicaba la iglesia con el claustro hoy desaparecido, es románica. La otra portada meridional hoy cegada, presenta arco doblado de medio punto sobre jambas lisas. En este costado se dispuso el primitivo claustro, sustituido por otro tardogótico (siglo XVI) del que hoy sólo quedan algunos vestigios.
La escultura del edificio se concentra en los capiteles de las ventanas y pilares de la nave, dominando en su decoración los motivos geométricos y vegetales.
Existen dos altares auxiliares en los tramos de los absidiolos, uno en el lado del Evangelio y otro en el lado de la Epístola. Ambos conservan huecos para las reliquias.
Con los datos recopilados en la monitorización del edificio, se determinó que los trabajos más inmediatos y urgentes se debían centrar en la limpieza, reparación, mejora e impermeabilización de las cubiertas para acabar con las humedades que estaban provocando lesiones, causantes de diversos problemas como filtraciones recurrentes a lo largo del tiempo o roturas de algunos de los paramentos interiores. Dichos trabajos se ejecutaron en la zona del ábside, absidiolos y sacristía.
Los problemas de conservación descritos aconsejaron la sustitución de los elementos de cubrición en las cubiertas de los ábsides, absidiolos y en la sacristía, aprovechando la operación para la inserción de un innovador sistema de ventilación entre las diversas capas de la cubierta, capaz de evitar los problemas de humedad. En consonancia con lo anteriormente descrito se han introducido sensores ambientales entre las diversas capas constructivas de la cubierta, para poder verificar el resultado de la actuación.
Asimismo, en esta primera fase también se ha llevado a cabo la limpieza y mejora de los paramentos exteriores en el área de la cabecera, ya que la vegetación era exuberante debido al escaso mantenimiento.
En paralelo a los trabajos efectuados en la primera fase, los técnicos del Plan de Intervención Románico Atlántico llevaron a cabo la monitorización de los párametros ambientales y estructurales del templo, mediante la colocación de sensores termohigrométricos y fisurómetros, que han registrado y enviado los datos a través del sistema MHS al centro de control de la Fundación Santa María la Real, donde son procesados y analizados. Con toda la información acumulada, el equipo multidisciplinar de la Fundación Santa María la Real realiza el estudio de la variación experimentada en el templo tras estas primeras actuaciones, verificando la estabilidad de la intervención realizada, a la vez que se permite establecer un diagnóstico de actuaciones para posteriores intervenciones en el edificio.
La actuación se ha centrado en adaptar el interior de la sacristía para que en ella se pueda llevar cabo el culto en las estaciones frías ya que es imposible acondicionar ambientalmente el espacio de la iglesia. La intervención por tanto, ha consistido en la inserción de un modulo de nuevo diseño, compuesto por todos los elementos necesarios para llevar a cabo las celebraciones litúrgicas, introduciendo bancos calefactados mediante lámina radiante bajo placa de pizarra e iluminando adecuadamente el espacio. Por otro lado, la sacristía estaba afectada por un problema de humedades que ha sido necesario y urgente corregir, mediante actuaciones como el rejuntado de los paramentos, el aislamiento de los contrafuertes o la instalación de nuevas ventanas que permiten el tránsito de aire de manera automatizada, ya que están sincronizadas con los sensores ambientales del sistema MHS.
Por otro lado, en esta segunda fase también se ha incidido en en dotar a la zona de los ábsides y crucero de una nueva iluminación, más eficiente y acorde con un edificio de las características monumentales de San Martín de Castañeda.
La intervención en bienes muebles ha constado de dos actuaciones diferenciadas. Por un lado, la que se ha centrado en la restauración de un sencillo conjunto de pintura mural existente en el absidiolo lateral, fechado en la primera mitad del siglo XVII. Las pinturas, que presentaban un estado de conservación deplorable, simulan una cúpula de gallones en una paleta de colores muy restringida, roja y negra. Por otro lado, para reforzar el carácter sacro del nuevo espacio de la sacristía como espacio litúrgico, y gracias a las gestiones del sacerdote, la parroquia obtuvo en depósito del Museo de los Caminos de Astorga una talla románica de la Virgen con el Niño datada en el primer tercio del siglo XIII. Una interesante pieza que fue restaurada en el taller de la Fundación Santa María la Real antes de su definitiva ubicación en este nuevo espacio.
