La decorazione originaria della chiesa di Santa Maria risale al secolo XI; delle antiche vestigia ci resta il bel portale marmoreo
che dal nartece introduce alla chiesa, in cui sono raffigurati uccelli, girali d'acanto, testine umane. Nell'architrave sottostante si
legge un distico greco: "O voi che entrate nella casa di Dio, lasciate al di fuori l'ebbrezza della sollecitudine, perché là dentro
troviate propizio il Giudizio Eterno". Sempre alla stessa epoca risale il mosaico bizantino situato sopra la porta raffigurante il
Redentore in cattedra, con alla sua sinistra San Giovanni Battista, alla destra la Vergine e una figura di abate che la critica ha
individuato come San Bartolomeo, il primo abate dell'abbazia. Anche i battenti lignei della porta e il fonte battesimale che si
trova nel nartece sono del secolo XI: il fonte battesimale è di particolare interesse per l'iconografia e la fattura. La torre
campanaria a sette ordini di celle bifore e trifore risale al XII secolo e poggia su un piccolo edificio di blocchi di peperino in cui
si è riconosciuto l'originario oratorio del VI secolo. All'interno, sull'arco trionfale, si trova il mosaico bizantino raffigurante
l'Etimasia che risale alla seconda metà del XII secolo; sopra è affrescata la Trinità.
Nel 1242 la chiesa viene occupata dalle truppe di Federico II e negli anni successivi subisce importanti opere di restauro, ma è il restauro del 1904 che riporta alla luce un ciclo di affreschi dipinti sulla sommità delle pareti, e nascosti successivamente dal soffitto a cassettoni realizzato nel corso del Cinquecento. Gli affreschi della parete sinistra, staccati e portati nel museo, raffigurano la Disputa con i Maghi, la Piaga del sangue, la Piaga dell'uccisione dei Primogeniti, la Piaga della gragnuola, il Passaggio del Mar Rosso. Dopo un ulteriore restauro del 1436 e la fortificazione dell'abbazia, nel 1609 il cardinale Edoardo Farnese decide di restaurare l'antico sacello dei Santi Adriano e Natalia e chiama il Domenichino ad affrescarlo. Gli affreschi sono divisi in registri. negli ovali della cupola ci sono le figure delle Sante Agnese , Francesca e Cecilia. Nei registri più alti i Patriarchi della Chiesa Greca; sotto, gli episodi della vita dei santi basiliani San Nilo e Santa Barbara: Nella parte settentrionale l'Abbraccio di S. Nilo con l'imperatore Ottone III ed in quella meridionale la Fondazione dell'Abbazia per opera di San Bartolomeo. Sull'altare è raffigurata la Madonna col Bambino tra i Santi Nilo e Bartolomeo attribuita alla cerchia dei Carracci. Il soffitto è a lacunari azzurri. La grande macchina d'altare che si trova nella chiesa è opera di G.B.Bozolasco, commissionatagli nel 1665 da Francesco Barberini junior: macchina scenografica barocca che inquadra l'antica icona duecentesca della Vergine. Nel 1754 l'aspetto originario della chiesa subisce notevoli modifiche: sono chiuse le finestre e le antiche colonne sono nascoste da nuovi pilastri. Le pareti della navata vengono ricoperte, secondo il gusto del tempo, da una decorazione a stucchi eseguita da Tommaso Righi. Ancora nel 1845 il cardinale Mattei fa costruire un avancorpo di stile neogotico e demolisce il nartece e il portico. Soltanto alla fine dell'Ottocento si recuperano gli elementi originali della facciata: si demolisce l'avancorpo neogotico e alla perdita del nartece e del portico originari si supplisce con la loro ricostruzione ex novo.
