La pieve di Coiano rappresenta un tipico esempio del romanico pisano - volterrano con un impianto basilicale a colonne.

Il paramento murario è stato realizzato con l'uso di due materiali: il laterizio e la pietra arenaria; l'uso di questi due materiali è la dimostrazione di due fasi distinte di costruzione e tale distinzione è da mettere in relazione con un probabile crollo delle strutture riconoscibile sia all'esterno che all'interno. Alla primitiva fase costruttiva sono riferibili la parte inferiore della facciata, i muri perimetrali e la tribuna mentre ad una fase più tarda sono ascrivibili la parte superiore della fiancata occidentale, le campate occidentali e gran parte del claristorio.

Lo spazio interno è suddiviso in tre navate separate da due file di sei colonne sulle quali si impostano archi a tutto sesto. Il claristorio è aperto da cinque strette monofore per parte realizzate in epoche diverse, le più antiche sono riconoscibili dalla forma molto più allungata e dal fatto di essere chiuse da un timpano. La copertura è a capriate lignee.

Le prime due archeggiature di sinistre e le prime tre a destra sono in laterizio e poggiano su capitelli lapidei oggi ridotti ad abachi e decorati con motivi geometrici. Le sottostanti colonne sono composte da pezzi di laterizio e hanno basi delle stesse dimensioni dei capitelli. Le altre campate sono in pietra ben squadrata e sono sostenute da colonne che si alternano a pilastri quadrangolari. Le decorazioni dei capitelli, qui sono molto più ricche delle precedenti e presentano festoni di rosette a cinque petali e degli intrecci viminei, quasi identici a quelli visibili nella chiesa di Cedda.

Il presbiterio è sopraelevato di un gradino mentre l'abside presenta una pavimentazione posta ad una quota più bassa; nel volume interno dell'abside è visibile una finestrella gradonata che ha fatto ipotizzare la presenza di una cripta che però non è stata confermata dalla campagna di scavi effettuata durante gli ultimi restauri. Nel paramento murario sono stati inseriti dei piccoli capitelli decorati con motivi floreali e questi inserimenti non trovano nessuna giustificazione che non sia un loro reimpiego come materiale di recupero. Forse provengono da un preesistente edificio sacro, l'antica pieve visitata dall'arcivescovo Sigeric e databile quindi al X- XI secolo che venne sostituta da una chiesa romanica nel XII secolo.