Der im romanischen Stil erbauten dreischiffigen Basilika fehlte zunächst der heute so typische Westturm. Stattdessen verfügte das Gebäude über zwei Flankierungstürme seitlich der romanischen Chorapsis. Erst in einer Umbauphase im 12. Jahrhundert erhielt die Kirche den Turm, der dem Gebäude eine neue Abgrenzung nach Westen gab. Nach der Zerstörung des Chores während eines Aufstandes der Siegburger Bürger wurde der Bereich ab 1403 neu errichtet, diesmal in gotischer Bauweise.

1649 wurde die Kirche durch einen Brand zerstört, auf ihren Trümmern entstand ein dem Stil der Zeit entsprechender Barockbau. Geprägt wurde das Gebäude durch eine mächtige Vierung von gleicher Höhe wie das Langhaus. Diesem wurde durch die Abflachung der Spitzbögen des gotischen Chores ein einheitliches Niveau gegeben. Die großen Fenster in der Nord- und Südwand der Vierung machten das Gebäude eine helle und aufstrebende Leichtigkeit. Der Schmuck an den Säulen und Pfeilervorlagen war jedoch recht sparsam und nicht mit der prunkvollen Ausstattung des Barocks im süddeutschen Raum zu vergleichen.

Die Abtei wird trotz Kennzeichnung als Lazarett bei einem Bombenangriff 1944 stark beschädigt, die Kirche völlig zerstört. Viele Bürger Siegburgs und der Region unterstützten die Mönche beim Bau eines neuen Gotteshauses, das verschiedene Baustile in sich vereinte. Aufgrund der schlechten Baumaterialien musste die Kirche in den Jahren 1977/78 grundlegend restauriert wurde.

Unter der Glockenkammer des Kirchturmes wurde 1983 ein Museum eingerichtet, das Exponate aus der Geschichte der Abtei zeigte. Die Gemälde, Kirchengewänder, Statuen und Illustrationen wurden nach der Auflösung des Konventes dem Erzbistum oder dem Museum der Stadt Siegburg übergeben.

An der nördlichen Fassade der Abteikirche fallen zwei Figuren aus Tuff auf, die der Bildhauer Stefan Kaiser aus Köln schuf. Sie zeigen den ersten Abt Erpho mit den beiden Schwesternabteien Saalfeld und Grafschaft und den dritten Abt Kuno mit seinen Freunden Rupert von Deutz und Norbert von Xanten. Seit 2007 findet sich an der Fassade auch eine Kreuzdarstellung, die die Mönche des Klosters Hennef-Geistingen den Siegburger Benediktinern nach der Schließung ihres Konvents schenkten. Das aus Bronze gegossene Kreuz zeigt einen jungen Christus als Erlöser der Menschheit. Es wurde um 1950 von dem Münchner Künstler Max Faller geschaffen.