La chiesa di Santa Maria in Ancaelle è un tozzo edificio in pietrame con vistosi rattoppi in laterizio, con una facciata sproporzionatamente larga sulla quale si aprono un portale e tre finestre quadrate protette da inferriate, con una copertura a due spioventi e un campaniletto a vela fornito di una campanella. La cortina delle pareti è priva di modanature in rilievo. Il fianco settentrionale, sul quale si apre un grosso finestrone, era un tempo servito da un accesso dalla parte del lago, dove resta un arco in laterizio chiuso da una tamponatura. Il fianco meridionale è privo di aperture, salvo la parte nascosta dietro un annesso che dà su un cortiletto confinante con la retrostante casa colonica. L'aspetto odierno dell'edificio è frutto di una profonda ristrutturazione che risale agli anni centrali del XVIII secolo, tramandata da una mattonella con la data 1751 che è murata sopra la finestra centrale; nella quale epoca fu chiuso il rosone circolare al centro della facciata. Una seconda mattonella presente sul timpano del campanile reca la data 1757. L'interno dell'edificio è composto da due corpi di fabbrica differenti per forma e per epoca. Il corpo della chiesa è formato da una grande aula a pianta rettagolare, divisa in tre navate da due arconi longitudinali sopra i quali poggiano le travi del tetto. Gli arconi di sostegno e la copertura risalgono al XVIII secolo. Le pareti perimetrali sono di un'epoca precedente il XVI secolo, quando furono realizzate le cornici in pietra degli altari e del fonte battesimale (1527). Nonostante la rimozione degli altari antichi e l'integrale tinteggiatura delle pareti, la decorazione della chiesa ha un notevole interesse per l'importanza delle opere che conserva. L'altare superstite in testa alla navata centrale è incorniciato da una edicola in pietra serena, con due colonne isolate che portano una trabeazione con un fregio ionico e una lunetta con un sottarco a lacunari. La parete di fondo è dipinta a buon fresco. Sopra l'altare sono dipinte quattro figure di santi - da sinistra: Michele Arcangelo, Giovanni Battista, Giuseppe e Rocco - che guardano in direzione di un punto centrale, dove era un antico dipinto su tavola che è stato protetto per esigenze conservative all'interno di un armadio blindato. L'immagine di culto è esposta soltanto in occasioni particolari. È una icona "bizantina" che ritrae una Madonna in trono col Bambino, attribuita a un 'Maestro del Trittico di Perugia', seguace della "maniera greca" attivo a Perugia nel terzo quarto del XIII secolo, che prende il nome da un tabernacolo della Galleria Nazionale dell'Umbria (inv. n. 877) proveniente dalla chiesa perugina di San Matteo degli Armeni, al cui interno lo stesso pittore dipinse numerosi dipinti murali, tra i quali un San Francesco.

 

L'altare fu ricostruito nella forma odierna nel terzo decennio del Cinquecento. Il 5 luglio 1520 un Meneco di Giacomo "dicto Camerino de castro Agelli comitatus Perusiae", collettore della gabella della carne nel comitato di Porta Santa Susanna a Perugia, dispose nel suo testamento un lascito di dieci ducati in favore del pittore perugino Mariano di ser Austerio, perché provvedesse a dipingere un altare di sua proprietà nella chiesa di Santa Maria in Ancaelle. La volontà del testatore fu ribadita tre anni più tardi, il 17 giugno 1523 (Galassi 2003). Insieme alle figure che circondano l'icona medievale, Mariano di ser Austerio dipinse la lunetta sovrastante con la figura dell'Eterno tra due angeli adoranti e le finte architetture nelle pareti circostanti, con quattro tondi che ritraggono i profeti Mosé e David, l'angelo annunziante e la Vergine annunziata. Mariano di ser Austerio (notizie 1503-1547) è un pittore originario del contado di Perugia, formatosi al seguito di Bernardino di Mariotto e poi passato all'imitazione di Raffaello e del suo allievo Giulio Romano. Prima della scoperta documentaria, gli affreschi erano attribuiti al pittore perugino Giovanni Battista Caporali.

Sulle testate della navate lateralisono presenti due dipinti murali. L'Annunziazione entro una cornice in pietra serena nella navata nord dominava in origine un altare intitolato all'Annunciazione a Maria Vergine, presso il quale fu istituita nel 1588 una compagnia sotto il titolo dell'Immacolata Concezione. Il dipinto è di un pittore manierista toscano attivo negli anni immediatamente seguenti la conclusione del concilio di Trento (1563). L'altare nella navata sud era dedicato a San Sebastiano. Il dipinto frammentario rappresenta una Madonna con il bambino tra i santi Antonio Abate, Pietro, Rocco e Sebastiano. La Madonna è di un pittore prossimo a Silla Piccinini (notizie 1563-1598), seguace perugino di Federico Barocci attivo in numerose ville del contado tra Perugia e il lago Trasimeno. La visita pastorale di mons. Cittadini (1819) ricorda in chiesa la presenza di un quarto altare intitolato al Santissimo Rosario, eretto nel 1662 e del quale si sono perse le tracce.Attraverso due porticine ai lati dell'altare si accede a un ambiente retrostante l'altare, che corrisponde alla tribuna absidale di una chiesa romanica. Le pareti erano un tempo decorate da episodi della passione di Cristo, riconducibili a un pittore perugino di cultura cimabuesca attivo poco dopo il 1280, del quale si conosce una attività come decoratore di codici manoscritti, forse identificabile nel 'Maestro di Montelabate' che affrescò la sala capitolare dell'abbazia di Montelabate nei dintorni di Perugia. Con estrema difficoltà, sulla parete nord si riconoscono gli episodi della Crocifissione e della Deposizione di croce, mentre del tutto illeggibili sono le storie frammentarie che decoravano il catino absidale e la parete sud. Sopra una pezza d'intonaco sovrapposta alle storie nella parete nord è dipinta una croce di consacrazione. Il San Sebastiano del catino absidale è di un pittore dei primi decenni del Quattrocento, che è stato identificato da Mirko Santanicchia (2008) in un 'Maestro di San Cristoforo', attivo in altri castelli nel perimetro del lago: a Passignano, Magione e Monte del Lago.