La chiesa attuale, di stile romanico con influenze cistercensi, risale al secolo XII; il paramento, esterno ed interno, è di travertino, mentre la decorazione architettonica è di onice delle vicine cave di Castelnuovo, che conferisce all'involucro una singolare lucentezza e riflessi dorati. La semplice facciata, con coronamento ad archetti, lascia apparire i segni di quattro grandi arcate cieche e un protiro racchiudente un ricco portale in forme romaniche, decorato da eleganti sculture; l'architrave, del secolo XII, reca il nome di uno degli architetti della chiesa, il monaco Azzone dei Porcari. Il fianco sinistro è ornato di un portaletto del secolo IX con interessanti figurazioni geometriche. in fondo s'innalza il poderoso campanile quadrato, di forme lombarde, aperto da due ordini di monofore, con cella campanaria a bifore; nel lato orientale sono visibili due bassorilievi: un singolare toro alato con testa feminile e una Madonna col Bambino . Pregevolissimo l'insieme dell'abside semicircolare, con profonde absidiole radiali, pure semicircolari. Nel fianco destro è un altro piccolo portale dell secolo XI, con interessanti rilievi sull'architrave raffiguranti grifi, aquile e animali fantastici. Sulla destra della chiesa sono visibili i resti dell'antico monastero, tra i quali la sala capitolare, anteriore alla costruzione del tempio, aperta in facciata da due trifore. Purtroppo l'ambiente è stato del tutto cementato in un recente restauro , ma resta l'irregolare muratura esterna dell'abside, in pietre accapezzate di piccolo taglio, a dimostrazione dell'appartenenza al primo stile romanico. E' da credere che la sacrestia, posta a destra della chiesa del XII secolo, corrisponda al solo nucleo centrale del presbiterio dell'edificio dell'XI secolo, il quale potrebbe aver avuto iconografia a creoce commissa, secondo la consuetudine delle badie toscane del tempo, e la cui navata era sicuramente molto più lunga. Analogamente a quanto avvenuto a Cluny, della cui congregazione comunque Sant'Antimo non ha mai fatto parte, benchè ciò sia stato congetturato, la nuova chiesa fu costruita non al posto della prima, ma accanto ad essa. L'ambiziosa impresa fu possibile grazie ad una cospicua donazione di terreni ad opera degli Ardengheschi nel 1117, ricordata in una lunga epigrafe sui gradini dell'altar maggiore e sull'adiacente sostegno. Si tratta di una charta lapidaria cioè della trascrizione della pergamena redatta in occasione della donazione.
L'interno è un tipico organismo romanico basilicale, a tre navate divise da alte colone alternate ogni tre colonne cruciformi; sulle arcate a tutto sesto corrono i matronei, aperti da eleganti bifore. La navata maggiore è a travature scoperte; quelle laterali e il deambulatorio hanno volte a vela. La navata destra è più grande della sinistra ed entrambe, dopo la sesta arcata, si restringono sensibilmente; la navata mediana a sua volta va leggermente restringendosi dalla facciata all'abside.
Con l'adozione del deambulatorio a raggera, dell'alternanza dei sostegni, un pilastro a fascio ogni tre colonne, e la presenza del matroneo, la chiesa mostra di essere ispirata ai famosi santuari francesi sorti dalla metà dell'XI ai primi del XII secolo lungo le strade di pellegrinaggio per Santiago. Infatti, dopo l'iniziale presenza di una maestranza tolosana nel portale di facciata, i lavori furono proseguiti da una maestranza locale, che rinunciò ad applicare molte delle caratteristiche più innovative e tecnicamente ardue del primo progetto, semplificandolo quindi notevolmente e adattandolo alle esigenze dela committenza toscana, giacchè appunto non di monaci cluniacensi francesi si trattava.
Verso la metà del XII secolo nello stupendo capitello di Daniele operò nuovamente uno scultore di formazione linguadocana, le cui personalissime creazioni sono state riconosciute dalla critica attorno ai Pirenei, fra Linguadoca, Navarra e Catalogna, oltre che appunto in Toscana: il cosiddetto Maestro di Cabestany.
particolare di un capitello del deambulatorio.