Il tempietto, monoptero e periptero, ha un corpo cilindrico, che costituisce la cella del tempio, la cui muratura è scavata da nicchie insolitamente profonde, decorate con conchiglie, e scandita da paraste come proiezione geometrica delle colonne del peristilio. La costruzione è infatti circondata da un colonnato tuscanico sopraelevato su gradini; sulle 16 colonne corre una trabeazione conforme alle indicazioni che Vitruvio ha dato per l'ordine dorico, con un fregio decorato con triglifi e metope. Le colonne sono di granito grigio, le altre membrature di travertino. Il soffitto dell'ambulacro è decorato a cassettoni.
L'interno della cella ha un diametro di circa 4,5 m; più un "naos" che uno spazio dedicato alle funzioni liturgiche; un luogo puramente simbolico e commemorativo. La forma cilindrica è in qualche modo trasformata da alte e profonde nicchie, quattro delle quali ospitano piccole statue degli evangelisti. Sull'altare è collocata una statua di San Pietro di anonimo lombardo. Il pavimento è a tessere marmoree policrome, nello stile cosmatesco, oggetto di una particolare rinascita a fine XV secolo.
Lo spazio è coperto con una cupola, progettata in conglomerato cementizio alla maniera degli antichi e posta su un tamburo ornato da lesene che continuano quelle del registro inferiore, ma sono prive degli attributi dell'ordine architettonico. Il rivestimento in piombo, è stato ripristinato nel XX secolo, in quanto nell'Ottocento era stato sostituito da tegole laterizie.
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