Los orígenes de este edificio son muy controvertidos, hasta el punto de que existen dos planteamientos historiográficos distintos formulados por dos autores, Luciano Huidobro y Ricardo de Orueta. El primero apoyaba la idea de que el monumento era una construcción mozárabe de finales del siglo IX o principios del siglo X. El segundo siempre defendió que se trataba de una iglesia visigótica de fines del siglo VII. El predominio de los trazados rectos, la compartimentación del espacio para adaptarse a las necesidades litúrgicas, la escasa iluminación, así como el empleo de sillares y arcos de herradura son algunas de las características que han llevado a la mayoría de los investigadores a decantarse por la segunda versión.

Estructuralmente, este edificio de reducidas dimensiones está edificado con sólidos muros de sillería que siguen la tradición constructiva romana. Los constructores recurrieron a los materiales de la zona y también aprovecharon algunos elementos como sillares, columnas, etc., de construcciones romanas precedentes. De hecho, en sus proximidades se emplazaban varias villas romanas formas de poblamiento características desde el Bajo Imperio hasta la época visigótica.

Según las investigaciones, la iglesia debió tener una planta basilical de tres naves y una especie de pórtico a los pies. La cabecera está compuesta por un ábside de planta cuadrada y un crucero que se prolongaba a los lados con dos habitaciones cuadrangulares, identificadas como el sacrarium, para guardar los objetos sagrados, y el baptisterium, lugar donde se celebraba el sacramento del bautismo. Todo ello se remata con una cubierta de madera reciente.

La iglesia de Quintanilla de las Viñas posee una rica decoración escultórica, tanto interior como exterior, con una enorme carga significativa propia del mundo hispanovisigodo. Se trata de bajorrelieves de talla plana, biselados y con el fondo de la composición neutro de acuerdo con la tradición del Bajo Imperio Romano y que aparecen ligados a los elementos arquitectónicos. En los frisos encontramos una decoración con elementos ligados a la vid, dada la importancia de este cultivo en la zona con formas geométricas y aves exóticas de influencia oriental. En el interior, la entrada del ábside está presidida por un gran arco triunfal de herradura profusamente decorado con motivos vegetales y aves. Por otro lado, en los bloques que actúan como capitel hay relieves muy esquemáticos pero de gran belleza plástica y valor simbólico. En uno de ellos aparecen representados unos ángeles que sostienen la versión antropomorfa del sol y de la luna, los cuales se han identificado con Cristo y con la Iglesia o con María. En otros dos han sido esculpidos un hombre y una mujer, quizás un santo y una donante.

De muchísimo interés son también las inscripciones epigráficas perfectamente integradas en el edificio. Una de ellas ha sido especialmente objeto de debate científico, concretamente la que incluye la mención a “Flammola”, que al parecer hace referencia a la mujer que dispuso la construcción del templo.