L’église paléochrétienne de San Giovanni di Sinis s’élève sur une aire cimetériale d’origine païenne puis chrétienne. Orientée avec l’abside à l’est et construite en blocs de grès doré, elle est divisée en trois nefs couvertes de voûtes en berceau et terminées par un transept. À la jonction de la nef centrale et de l’abside apparaît une petite coupole, soutenue par de gros piliers.

Les nefs latérales communiquent avec la nef centrale par trois arcs reposant sur de simples piliers. Le bâtiment est éclairé, dans la nef centrale, par trois petites ouvertures quadrangulaires; au niveau de l’abside et du transept par des fenêtres géminées. La sobre façade est animée en son centre par un oculus situé au-dessus de la porte d’entrée.
Le noyau central de l’église, constitué de la structure en forme de coupole et se référant à un édifice originel en croix grecque inscrite dans un carré, a probablement été implanté au VIe siècle après Jésus-Christ.
À l’époque des Judicats de Sardaigne, entre les IXe et XIe siècles, la structure a subi une transformation radicale qui a impliqué l’ajout de l’abside et des trois nefs, en remplacement des bras est et ouest, et l’ouverture des fenêtres géminées.

Lors de récents travaux de restauration, un fragment d’enduit peint en brun et rouge sur fond blanc a été identifié à la base de l’abside, représentant une partie d’un rideau (velarium). Cet élément, qui devait faire partie d’une décoration murale plus large, trouve des comparaisons dans d’autres contextes archéologiques hors de Sardaigne qui sont datés entre les VIIIe et IXe siècles.
Au cours des mêmes travaux de restauration, un édifice préexistant avec abside orientée à l’est a été mis en évidence sous l’église et au sud de celle-ci. En raison de la présence dans la zone de nombreuses sépultures, dont certains sarcophages encore présents sous le sol, il a été supposé que les vestiges muraires identifiés se réfèrent à une basilique funéraire paléochrétienne.