Исследователи отмечают, что церковь Вознесения Господня представляет собой однонефную базилику с куполом над наосом; восточная часть завершается трёхчастным алтарём с выявленной снаружи полукруглой центральной апсидой с двумя пониженными боковыми постафориями; по типу принадлежит к рашской школе архитектуры. Купольный экзонартекс пристроен к основному объёму позднее (около 1236 г.) в связи с размещением в этой части храма мощей святителя Саввы и устройством здесь усыпальницы короля Владислава. При перестройке в 1863–1868 гг. западная стена первоначального храма была разрушена, утрачена часть росписи. Храм возведён из камня, внешние стены оштукатурены; в его облике соединены черты византийской, романской и сербской архитектуры. Фресковые росписи Милешево исследователи считают самым значительным образцом сербско-византийской живописи. Они покрывают стены алтаря, основного объёма храма, внутреннего и внешнего нартекса (экзонартекса) обладают рядом иконографических и художественных особенностей. По сравнению с классической системой росписи византийского храма расположение некоторых композиций изменено. Так, сцена «Вознесение Господне» (изображение храмового праздника) находится в куполе, а в основании купола на четырёх полуциркульных стенах представлены «Благословение апостолов перед Вознесением» (на восточной стене, редкий сюжет), «Причащение апостолов» (на западной стене), «Рождество Христово» (на северной стене, сохранились фрагменты), «Снятие с креста» (на южной стене). Исследователи полагают, что такая схема расположения композиций возникла в связи с необходимостью приспособить традиционную систему росписи крестово-купольного храма к архитектуре рашского типа. В алтаре в конхе апсиды находилась фигура Божьей Матери «Оранта» с поклоняющимися архангелами (не сохранилась), ниже помещалась композиция «Поклонение Жертве» (сохранилась частично). Традиционная для этого места «Евхаристия» перенесена в подкупольное пространство. «Благовещение» помещено на восточных гранях северо-восточного и юго-восточного пилястр. Напротив, на западных гранях юго-западного и северо-западного пилястр, расположено «Сретение». Эта композиция имеет необычную трактовку: сцена разделена на две части – Божья Матерь с Младенцем и праведный Иосиф с одной стороны, старец Симеон и пророчица Анна – с другой. Воислав Джурич считал, что нарушение традиционного порядка сцен повлекло за собой изменения в расположении основных евангельских праздников. В росписи большое место уделено циклу Страстей Христа; отдельные сцены находятся в наосе и нартексе церкви: «Вход Господень в Иерусалим» и «Жёны у гроба Господня» – на северной и южной стенах в западной травее наоса, «Тайная вечеря», «Омовение ног», «Моление о чаше», «Поцелуй Иуды», «Уверение Фомы» – на западной стене в нартексе. Кроме того, в Милешево впервые в сербской средневековой живописи представлены так называемые портреты представителей династии Неманичей: в наосе – король Владислав, ктитор храма, с моделью церкви в руках, которого Божья Матерь подводит ко Христу, восседающему на престоле; в нартексе – святитель Савва Сербский и его отец святой Симеон Неманя, Савва Освященный, король Стефан Первовенчанный с сыновьями Радославом и Владиславом.