Situada muy cerca de la Iglesia Santa María del Naranco, se atribuye su construcción al reinado de Ramiro I. Es de gran monumentalidad exterior, destacando sus bellas celosías de un calado perfecto. Aunque se hundió parte del edificio en el siglo XIII, sigue siendo una de las más importantes creaciones del arte asturiano. Lo más destacable de su arquitectura es su alzado, de una gran esbeltez y con soluciones muy originales.
Parece que se trato de una basílica de tres naves, separadas mediante columnas; la cabecera actual puede fecharse en los siglos XIII-XIV. Frente a la arquitectura del periodo alfonsino, la ramirense se levanta toda en piedra y sin dinteles. El repertorio decorativo de San Miguel de Lillo, como el de todos los edificios ramirenses es de una gran originalidad.
Se advierte aquí la preocupación del arquitecto por las proporciones, de forma que la altura resulta tener tres veces el ancho de la nave central. Está también completamente abovedada y, por primera vez en el arte asturiano, las naves no están separadas por pilares sino por columnas.
La decoración en esta iglesia es sumamente interesante, sobre todo por los relieves que se encuentran en las jambas de la puerta. En ellas se representan escenas de circo, con saltimbanquis y domadores. Esta fachada tiene, además, una disposición de sus elementos (puerta en arco, gran ventana sobre ella y otras dos pequeñas a los lados) de carácter monumental, y es probablemente la primera de este tipo que se encuentra en la arquitectura medieval española. Otros aspectos destacables en la decoración de Lillo son las celosías, de refinado diseño, y la tribuna del interior, ideada para dignificar las ceremonias religiosas a las que asistía el rey. Ha sido declarada Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO.