Se trata de una iglesia-fortaleza mudéjar, construida en ladrillo sobre basamento de piedra sillar, de nave única dividida en dos tramos rectangulares, cubiertos con bóveda de crucería sencilla separados por tres tramos más cortos que se cubren con cañón apuntado que se contrarrestan en los contrafuertes, de los que los dos de los pies, a occidente, son torres-contrafuerte. La alternancia de tramos de crucería sencilla y cañón apuntado va marcada por arcos perpiaños. Los nervios de las bóvedas de crucería, de triple bocel, apean en ménsulas que quedan enlazadas mediante una imposta que recorre la nave a la altura del arranque de las bóvedas de las capillas laterales. Una de las dos claves lleva un racimo de mocárabes, como en las iglesias de Tobed y de Torralba de Ribota.
Las capillas laterales, a ambos lados de la nave y alojadas entre los contrafuertes, se cubren con crucería sencilla, quedando tan sólo cubierta con cañón apuntado transversal a la nave la capilla de los pies en el lado septentrional, que sirve como pórtico de entrada y a la que da la portada exterior.
Originalmente el presbiterio, de testero recto, se componía de tres capillas de planta cuadrada, siendo la central de mayor anchura que las laterales; las tres quedaban comunicadas entre sí, y se cubrían con bóveda de crucería sencilla. Tres arcos apuntados, de rosca muy moldurada, ponían en comunicación estas tres capillas con el espacio de la nave, apeando en pilares de sección octogonal con capiteles decorados con cardinas. La reorientación de la iglesia significó la construcción de un nuevo presbiterio a occidente, del planta cuadrada cubierto por crucería sencilla, que quedaba flanqueado por otras dos estancias cubiertas por crucería estrellada, sirviendo la meridional como sacristía y la septentrional, tras usos variados en el tiempo, como pórtico abierto a la plaza. Como consecuencia, el presbiterio original quedaba con función de coro, enmascarando su estructura original hasta que la restauración efectuada en el edificio le ha devuelto su aspecto primitivo, colocando allí un retablo procedente de la ermita de la Santa Cruz, una de las obras cumbre de la pintura aragonesa del siglo XV, y que Post atribuye al llamado ¿Maestro de Morata¿, relacionado por Fabián Mañas con el taller de Pedro de Aranda.
Exteriormente destaca su monumental fachada, donde la portada gótica aparece enmarcada por un gran alfiz cuyas albanegas se decoran con diversos motivos realizados en cerámica vidriada como estrellas, cruces y discos. Este tipo de decoración distribuida en dos registros enmarcados por fajas de esquinillas se extiende por toda la fachada e incluso bajo la galería de arquillos, donde se combina con otros motivos realizados en ladrillo resaltado como arcos mixtilíneos.
Toda la construcción se destaca al exterior mediante un solo volumen prismático, en el que las torres-contrafuerte de los pies quedan embutidas en la fábrica, con estructura de alminar, a base de torre de planta cuadrada con machón central cuadrado entre los que se desarrollan los tramos de escalera, abovedados por aproximación de hiladas. Tan sólo la torre meridional destaca en altura, elevándose por encima de la cubierta mediante un cuerpo más, todo en ladrillo, abierto en sus caras por vanos ligeramente apuntados enmarcados por alfiz en los que se sitúa el cuerpo de campanas; por encima, los paños aparecen decorados por un friso de rombos y otro de pequeños arquillos, ambos entre frisos de esquinillas.
La galería de arquillos doblados de medio punto que corona la construcción corresponde a las reformas efectuadas a finales del siglo XVI, y que alteraron el aspecto original de la iglesia, dotándole de un carácter más cercano a lo civil.

La iglesia parroquial de San Martín se inscribe tipológicamente en el grupo de iglesias fortaleza mudéjares, compuesto por construcciones de amplio espacio interno de aspecto civil, aunando la funcionalidad religiosa y militar, estructurados en una nave única con capillas entre contrafuertes y cabecera formada por tres capillas con testero resto. Es esta una creación genuina del mudéjar aragonés, caracterizada por la racionalidad de su estructura, resueltos sus elementos de forma sólida y sencilla; configurado el modelo durante el primer tercio del siglo XIV, se difunde hasta las primeras décadas del siglo XV, encontrando otros ejemplos en Azuara, Tobed, Cervera de la Cañada o Torralba de Ribota.
De entre las matizaciones al modelo arquetípico que presenta este templo, hay que destacar el tratamiento mural, alejado del carácter sobrio y desornamentado propio de esta tipología, dando paso a un muro septentrional suntuosamente decorado a base de ladrillo resaltado y cerámica policroma en blanco y azul, formando una composición que combina la decoración de cruces de múltiples brazos que al entrecruzarse forman rombos, fajas de esquinillas y arcos mixtilíneos sin entrecruzar que apean bien en pilastras de ladrillo, bien en columnas de cerámica. Está considerado como uno de los ejemplos más ricos y mejor conservados de decoración mudéjar, sólo comparable al muro de la capilla del arzobispo D. Lope Fernández de Luna en la Seo zaragozana; esta circunstancia es ya un reflejo de la nueva orientación que la arquitectura mudéjar aragonesa está tomando desde finales del siglo XIV, que da paso a conjuntos bellamente ornamentados, alejados ya del espíritu militar que caracteriza a las iglesias de este grupo.
En el muro septentrional destaca la portada, en el tramo noroccidental, extraordinario ejemplo de integración de formas orientales y occidentales, estructuralmente relacionada con las portadas del gótico levantino pero resuelta enteramente en ladrillo aplantillado y cubierta de decoración mudéjar, resolviendo la cuestión planteada en otras portadas anteriores como Santa María de Maluenda y San Pedro de los Francos de Calatayud, construidas enteramente el sillar.
La estructura de la portada es conceptualmente gótica, a base de arquivoltas apuntadas y abocinadas y el gablete de remate, abriéndose la puerta en arco carpanel que deja sobre ella y las arquivoltas un tímpano decorado con una talla en alabastro representando el grupo de San Martín a caballo partiendo su capa con el pobre. El cierre con alfiz coronado por un friso de arcos mixtilíneos ciegos que continúan la sucesión presente en el resto del muro pertenece ya enteramente a la tradición mudéjar.