Sono incerte le origini, la datazione e la funzione; la tesi prevalente sostiene che il Tempietto sia stato costruito nella seconda metà dell'VIII secolo e si pensa fosse la cappella di un monastero benedettino femminile, il Monastero di Santa Maria in Valle.
Il Tempietto Longobardo è costituito da un'aula quadrata con volta a crociera e dal presbiterio con tre navatelle a botte, è inoltre caratterizzato da affreschi realizzati da maestranze bizantine e da decorazioni a stucco.
Nell'aula si trovano anche gli stalli lignei datati XIV secolo, decorati con motivi fogliati e raffigurazioni di animali fantastici. Nel corso dei secoli il Tempietto fu più volte «ristrutturato»: ne fanno fede soprattutto gli affreschi che ne decorano (o ne decoravano, visto che molti di essi sono stati recentemente strappati ed esposti nel Museo Cristiano e nel Museo archeologico) le pareti: affreschi che vanno dall'XI alla fine del XIV secolo circa. L'edificio consta di un corpo centrale (esternamente a pianta quadrata, a debole croce all'interno) e del presbiterio a tre absidi, di cui la centrale più ampia. La volta è a crociera nell'aula, a botte nelle absidiole. Architravi monolitici di età romana sostenuti da colonne binate di spoglio con capitelli corinzi separano le navatelle, mentre un'iconostasi con plutei lisci delimita la zona dell'aula dal presbiterio. E' nella parete d'ingresso (quella occidentale) che si può, sebbene parzialmente, ammirare l'originaria decorazione del Tempietto: di essa infatti sono rimasti in buono stato di conservazione gli eccezionali, celeberrimi stucchi e qualche affresco. La decorazione a stucco (composto di gesso, calce e polvere di marmo) si svolge su due registri. In quello superiore due fasce orizzontali, lavorate con motivo a stilizzate rosette profondamente incise, con cavità al centro un tempo riempita con pasta vitrea (solo in alcune visibile), delimitano uno spazio nel quale trovano posto le sei Sante in altorilievo addossate al muro, affiancate in gruppi ternari, a destra e a sinistra di una monofora cieca, adorna di un archivolto, anch'esso in stucco con finissimo motivo simile ad una trina, poggiante su due colonne sormontate da capitelli corinzi. Nel registro inferioreuna mirabile fascia lavorata a giorno corre con funzione decorativa attorno alla lunetta del Cristo Logos in affresco. Elemento principale dell'ornamento è il bel tralcio di vite a spirale con grappoli e pampini racchiuso entro doppia c
