La chiesa sorge al centro della frazione di San Pietro in Palazzi, lungo via Aurelia Nord, con una facciata a salienti decorata con archetti pensili e laterizi. Tre portali di accesso, con il centrale più grande, sono presenti. Il campanile in mattoni faccia-vista è affiancato da una struttura recentemente ristrutturata.

Internamente, la chiesa ha una pianta basilicale con tre navate suddivise da pilastri e arcate a tutto sesto. La navata centrale culmina in una scarsella absidale, mentre le navate laterali ospitano varie cappelle, inclusa quella della Madonna.

Le coperture sono in legno con decorazioni pittoriche, e i pavimenti alternano cotto e marmo. La facciata principale è arricchita da un grande rosone, mosaici e statue dei santi Pietro e Paolo.

Gli interni, completamente intonacati e tinteggiati, presentano vetrate artistiche, una copia della statua di San Pietro del Vaticano e vari elementi decorativi in marmo e legno. L’altare maggiore, post-conciliare, è realizzato con materiali provenienti dalla Basilica di San Piero a Grado e dal Duomo di Pisa.