San Pietro presenta una facciata seicentesca in stile classico, tripartita da quattro lesene e con tre aperture rettangolari (le due laterali sormontate da timpano) disposte lungo una cornice, nella zona mediana del prospetto. Il coronamento è a lunetta. Tramite un arco a tutto sesto, sormontato dallo stemma del cagliaritano Antonio Mereu si accede al portico che precede l'interno del tempio. Il piano superiore del portico ospita la cantoria.

L'interno è a pianta rettangolare, con quattro cappelle aperte sul lato sinistro e la cappella presbiteriale rettangolare sul fondo. Alcuni tratti murari della aula mononavata risalgono alla fabbrica duecentesca, così come i primi due ordini del campanile, decorato esternamente da archetti pensili. L'attuale volta a botte della navata sostituì nel seicento le originarie capriate lignee.

La prima cappella dopo l'ingresso, particolarmente sviluppata in profondità, è dedicata alla Madonna delle Grazie e venne edificata tra il 1472 e il 1478, in stile gotico-catalano, e ampliata nel XVII secolo. Il primo vano della cappella, il più antico, accessibile tramite un arco ogivale retto da pregevoli capitelli scolpiti, è voltato a crociera costolonata; i due vani successivi sono frutto degli ampliamenti seicenteschi. Sul fondo si trova un altare in marmi policromi. La cappella e di proprietà dell'antico gremio dei massai e ne ospita il suo antico candeliere che risale alla meta dell'Ottocento e tutti gli anni partecipa alla Faradda, una tradizionale discesa di grandi candelieri.

Il presbiterio ospita il fastoso altare maggiore in legno dorato (XVIII secolo), ricco di simulacri, tra cui quello di san Pietro apostolo e della Madonna delle Grazie, che ha reso celebre il santuario per i miracoli e la fama.