La facciata, di forma semicircolare, presenta quattro lesene che terminano con capitelli fitomorfi e tre finestroni semicircolari nella parte alta. L'interno ha un unico vano con le pareti perimetrali anch'esse scandite da lesene, sormontato da un'alta cupola e decorato con diversi elementi pittorici e scultorei.

Gli affreschi dell'abside, che raffigurano San Pancrazio portato in cielo dagli angeli, sono opera del bolognese Giacomo Antonio Boni.

Le principali opere d'arte sono il trittico raffigurante episodi della vita di San Pancrazio, databile all'inizio del XVI secolo ed attribuito al pittore fiammingo Adriaen Isenbrant, smembrato nel 1691 e recentemente ricomposto dietro l'altare maggiore dopo un intervento di restauro e le statue di S. Pancrazio, opera seicentesca di Filippo Parodi, e della "Madonna della Misericordia" di Francesco Maria Schiaffino (XVIII secolo).