La iglesia
La excavación arqueológica realizada en varios lotes entre 1976 y 1999 ha permitido identificar las etapas de la construcción del edificio. Los estudios han abarcado un área que antiguamente formaba parte de una amplia necrópolis fuera de la ciudad, donde a comienzos del siglo V surgió un complejo paleocristiano que incluía la iglesia cruciforme de S. Lorenzo. En el centro de la nave sur se halló la base de un edificio funerario perteneciente al siglo IV o V d.C.; la iglesia primitiva, erigida al norte de este mausoleo, estaba constituida por una simple aula-ábside rodeada de un soportal destinado a sepulturas privilegiadas.
En el siglo IX, la iglesia se reconstruyó por completo y se amplió; se desplazó al sur el eje general del edificio y el extremo oriental se dotó de tres ábsides, mientras que la fachada se reconstruyó al oeste de la paleocristiana. En el año 989 se añadió a la fachada un campanario cuyos restos son de 15 m de altura aproximadamente.
A comienzos del siglo XI se construyó la iglesia románica que incluye el campanario en la nueva fachada, aunque su posición está descentrada con respecto al eje longitudinal de la nueva iglesia. El edificio es de planta basilical, dividido en tres naves terminadas por ábsides semicirculares.
La actual torre del campanario, construida en el siglo XII, pertenecía originariamente a un sistema defensivo constituido por una muralla y una segunda torre de grandes dimensiones, cuyos restos se descubrieron adosados a la pared perimétrica de la iglesia.
Los restos arqueológicos no son visibles porque están inmediatamente debajo del piso de la iglesia.

Cabe destacar el bonito coro de madera del siglo XV, la antigua cripta y el importante ciclo de frescos (siglo XI) visible en el techo.

La excavación arqueológica del coro de la iglesia de S. Orso ha permitido descubrir un piso de mosaico de forma cuadrada, desconocido y no mencionado por las fuentes, realizado con teselas blancas y negras y algunas aplicaciones de teselas de color marrón claro. Una serie de seis círculos inscritos en el cuadrado hace de marco a las decoraciones centrales. En el medallón central aparece una elegante representación de Sansón matando al león.

El claustro
El claustro es la joya del complejo monumental de Sant’Orso; se accede por un atrio que se abre a la derecha de la fachada. La antigua planta románica pertenece casi seguramente a 1133 y fue obra de arquitectos provenzales o lombardos; cuando la bula del papa Inocencio II impuso la regla de San Agustín a los canónigos de Sant’Orso, el claustro ya existía, según indica una inscripción situada sobre un capitel. Los capiteles, esculpidos en mármol pero revestidos ya en tiempos antiguos con pintura oscura, completan columnas sencillas y pareadas de formas diferentes y representan admirablemente escenas simbólicas del Nuevo y del Antiguo Testamento, de la vida de San Orso, personajes y animales fantásticos, y otros elementos decorativos. Se consideran una de las más altas expresiones de la escultura románica religiosa.