L'edificio ad aula, voltato a botte, ha pianta rettangolare con presbiterio quadrato e sopraelevato di un metro e mezzo rispetto alla navata.
Il portale in facciata è evidenziato da un frontone in trachite di gusto manierista, composto dal timpano con nicchia, che poggia su un architrave diviso in specchi da due cornici, e sorretto da due semicolonne. Il capitello di una delle lesene presenta decorazioni con figure zoomorfe e floreali di gusto tardogotico, come il rosone, anch'esso in trachite e di ottima fattura e molto simile ai rosoni delle chiese di San Mauro a Sorgono e di san Gavino a Gavoi. Di esso si dice che provenga dalla più antica chiesa di Santu Milianu, la prima pievania (parrocchia) di Nuoro.
Nello spazio fra l'architrave e la base del timpano vi è un'iscrizione in latino che riporta la dedica alla Madonna delle Grazie, il nome del committente Nicolao Ruju Manca ed il suo diritto di essere sepolto all'interno della chiesa insieme con i suoi familiari. A conferma di ciò, durante gli ultimi lavori di restauro, sotto il pavimento vennero ritrovate alcune sepolture.
Alla chiesa si accede tramite una scala di granito, ma vi è un secondo ingresso che si apre nella fiancata laterale sinistra della Chiesa, il quale si presenta con stipiti in trachite rossa e sovrastato da una nicchia, con logiche decorative tardo rinascimentali. Un terzo ingresso è collocato sul lato destro della chiesa che conduceva a un ampio cortile con un loggiato (lozas), che fungeva da ostello per i pellegrini durante la festa della Patrona di Nuoro.
Sulle fiancate vi sono infine loggette che interrompono, alleggerendolo, il volume massiccio della costruzione. All'interno vi sono dei pregevoli pitture murali, risalenti al XVIII secolo e attribuiti alla bottega di Pietro Antonio e Gregorio Are, artisti sardi che operarono in diversi paesi della Provincia. Il ciclo pittorico ha come tema l'Apocalisse, e vi sono raffigurati i 12 Apostoli, i Profeti, alcuni brani delle Sacre Scritture. L'attuale ltare maggiore è frutto di un rifacimento ottocentesco di stile neoclassico.
