L'antica basilica di san Valentino è a tre navate. Sono state riportate alla luce due absidi, una più antica e l'altra più recente, dovute a due momenti diversi di edificazione della struttura. Vi sono poi elementi di una cripta sottostante, dovuta probabilmente a lavori fatti eseguire da papa Leone III (VIII-IX secolo), rivestita di marmi di cui alcuni frammenti ancora in loco.

Come detto, della catacomba l'unico ambiente di un certo rilievo e attualmente visitabile, è l'ambulacro scoperto dal Marucchi nel XIX secolo e trasformato in cantina. Questo ambiente fu visitato da Antonio Bosio e al suo tempo esso era ancora integro: perciò in base ai disegni che fece realizzare ci è possibile oggi leggere i resti di affreschi che vi si trovano. In base alla fattura e alla tipologia, essi sono databili tra VII secolo ed inizi dell'VIII. Si distinguono in particolare una serie di affreschi legati ad episodi della vita della madre di Gesù tratti dai vangeli apocrifi; e l'affresco di un crocifisso, esempio rarissimo in una catacomba.